и*л
Издательство
иностранной
литературы
PHOTOSYNTHESIS
RELATED PROCESSES
by
E. RABINOWITCH
volume II, part 1
1951
6Ч1.1У
ФОТОСИНТЕЗ
Е. РАБИНОВИЧ
ТОМ II
Перевод с английского
А. А. ИЛЬИНОЙ и А. Н. БОЯРКИНА
Под редакцией и с предисловием
проф. А. А. НИЧИПОРОВИЧА
и проф. Э. В. ШПОЛЬСКОГО
1953
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕР АТ УРЫ
Москва

ПРЕДИСЛОВИЕ
К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Настоящая книга представляет собой второй том монографии
Е. Рабиновича «Фотосинтез», первый том которой был выпущен
в русском переводе Издательством иностранной литературы в 1951 г.
Как мы указывали в. предисловии к первому тому, монография
Е. Рабиновича является единственным в зарубежной литературе систе-
матическим и полным изложением громадного материала, накопленного
в результате изучения природы и «механизма» процесса фотосин-
теза.
Во втором томе с большой полнотой сведен материал по трем
основным группам вопросов: 1) спектроскопия и флуоресценция фото-
синтетических пигментов; 2) кинетика процесса фотосинтеза в зави-
симости от концентрации двуокиси углерода, интенсивности и спек-
трального состава света и 3) квантовые выходы фотосинтеза и
возможная роль в процессе фотосинтеза различных других пигментов,
помимо хлорофилла.
Надо сказать, что работы в этих областях, как средство решения
кардинальных вопросов природы фотосинтеза, получили в последнее
время особенно большое развитие, и в них широко используются
новые методы и современные представления из области фотохимии,
физики, физической химии, атомной и молекулярной физики и химии,
кинетики реакций и т. д.
Проводя спектроскопические исследования и изучая флуоресцен-
цию пигментов, пытаются определить состояние пигментов в пласти-
дах, характер участия пигментов в поглощении, трансформировании,
использовании и передаче энергии света; изучая кинетику фотосинтеза
в зависимости от изменяющихся концентраций двуокиси углерода,
пытаются выяснить природу начальной реакции вхождения СО2 в цикл
фотосинтетических превращений (карбоксилирование, фиксация на
6
Предисловие к русскому изданию
специальных акцепторах), определить возможную обратимость неко-
торых стадий фотосинтетического превращения СО2, исследовать
степень сложности и последовательность фотосинтетических превраще-
ний СО2 и т. д.
Изучая кинетику фотосинтеза в зависимости от интенсивности,
прерывистости и спектрального состава света, пытаются выяснить
принципиальные вопросы природы световых реакций фотосинтеза, их
число и место в общем цикле реакций фотосинтеза, количественные
и качественные соотношения между световыми и темновыми реак-
циями фотосинтеза и т. д.
Изучая квантовые выходы фотосинтеза, пытаются исследовать
«механизм» использования энергии в процессе фотосинтеза, вопросы
энергетики, а тем самым и природы световых и темновых реакций;
определить число первичных фотохимических актов, необходимых
для восстановления одной молекулы СО2 или выделения одной моле-
кулы О2; выяснить характер последующих превращений энергии,
усвоенной в первичных фотохимических реакциях, и решить вопрос
о возможном участии в фотосинтезе других пигментов, кроме хлоро-
филла.
Успехи последних десятилетий в области физики, химии и био-
логии вызвали громадное оживление в работах по фотосинтезу и обу-
словили появление большой литературы, нередко трудно обозримой.
Эти работы внесли много нового и в представления о природе
процесса фотосинтеза.	*
Следует отметить, что современный период является еще периодом
первичного накопления данных, многие из которых чрезвычайно важны
и ценны. Однако этого обилия материала еще недостаточно для того,
чтобы объединить накопленные факты в единую теорию фотосинтеза,
вполне достоверную, неоспоримую и вскрывающую все основные осо-
бенности процесса.
Это объясняется, с одной стороны, сложностью процесса фото-
синтеза как процесса биологического, представляющего собой лишь
одно из проявлений жизнедеятельности организма.
С другой стороны, нельзя не отметить методологическую недоста-
точность в проведении многих работ, их механистичность.
Характерная особенность многих работ по кинетике фотосинтеза
заключается в том, что в них по изменению начальных (поглощение
СО2, поглощение света) и конечных (выделение О2, накопление энер-
Предисловие к русскому изданию	7
гии) реакций в зависимости от состояния основных факторов среды,
а иногда и физиологического состояния растений пытаются судить
о характере, числе, последовательности, сопряженности и природе
многочисленных промежуточных стадий, факторов и реакций фото-
синтеза.
Основанием для тех или иных суждений служат тип, крутизна и кри-
визна кинетических кривых, а также характер возникновения и высота
«потолка», соответствующего насыщению. Характеристики эти-- вы-
являются путем разнообразных математических расчетов и анализов, ко-
торые иногда превращаются в своего рода самоцель. Ввиду большой
сложности процесса фотосинтеза подобный путь изучения чреват мно-
гими неожиданностями и приводит иногда к разноречивым мнениям и
толкованиям, что усугубляется механистическим подходом к изучению
вопроса. А такой подход присущ как многим зарубежным авторам,
которых цитирует Е. Рабинович, так, в известной мере, и ему самому.
Все указанное отнюдь не исключает полезности широкого исполь-
зования кинетического метода изучения фотосинтеза, если в основу
его использования будут положены методологические правильные
предпосылки.
Благодаря обилию фактического материала книга в равной мере
может представлять интерес как для работников, интересующихся
чисто физиологической и экологической сторонами фотосинтеза, так
и для химиков, физиков и биохимиков, интересующихся вопросами
природы, химизма и механизма фотосинтеза.
В то же время из книги следует, что даже изощренный матема-
тический анализ конечных зависимостей и кинетических данных не
может оказаться удовлетворительным для изучения столь сложного
биологического процесса как фотосинтез.
В настоящее время назрела необходимость широкого внедрения
в исследования по фотосинтезу более сложного анализа явлений, при
котором не только учитывались бы начальный и конечный эффекты
фотосинтеза по усвоению СО2 или выделению О2, но непосредственно
изучались промежуточные и сопутствующие реакции, процессы и про-
дукты, а сам фотосинтез изучался как физиологический процесс.
Помимо прямых биохимических анализов и наблюдений, громадные
перспективы в этом направлении открывает использование меченых
атомов, которое дает возможность изучать путем непосредственных
учетов последовательные стадии превращения углерода, воды и
8	Предисловие к русскому изданию
различных соединений, участвующих в процессе фотосинтеза или связы-
вающих его с другими процессами жизнедеятельности растений.
В заключение необходимо отметить, что, довольно полно цитируя
работы наших исследователей, Е. Рабинович дает им не всегда
объективную, а иногда и совершенно тенденциозную оценку, как это
отмечено нами в примечаниях к тексту.
Проф. А. А. Ничипорович,
проф. Э. В. Шпольский.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ
Глава XXI
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ПИГМЕНТОВ IN VITRO
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ХЛОРОФИЛЛА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ
Спектры поглощения хлорофиллов а и b
Спектры хлорофиллов а и b подробно изучались как вследствие
теоретического интереса к этому вопросу, так и ради чисто практи-
ческих целей: спектрофотометрического определения этих пигментов.
До недавнего времени результаты, полученные разными авторами,
не вполне совпадали либо в положении максимумов полос, либо в зна-
чении коэффициентов экстинкции. В последнее время введение усо-
вершенствованных методов хроматографической очистки позволило
Цшейле и его сотрудникам [14—16, 43, 44, 55] и Маккиннею [31,
39, 42] получить препараты хлорофиллов а и Ь, удовлетворяющие
наивысшим требованиям в отношении спектроскопической чистоты и
воспроизводимости.
Цшейле, Комар и Маккинней [50] изучали образцы хлорофилла,
приготовленные первыми двумя исследователями в университете Пар-
дью и третьим автором в Беркли, измеряя коэффициенты экстинкции
на двух разных фотоэлектрических спектрофотометрах.
Для «влажного» препарата хлорофилла а, приготовленного Цшейле
и Комаром (см. стр. 12), оба прибора дали практически идентич-
ные кривые экстинкции (в области от 430 до 660 лу. отклонения не
превышали 2%). Это показывает, что использование фотоэлектри-
ческих установок позволяет в значительной мере устранить фото-
метрические ошибки, обычные в визуальных и фотографических опре-
делениях кривых поглощения.
Спектры растворов хлорофиллов а и Ь, приготовленных Маккин-
неем в сухом состоянии, были, в общем, подобны спектрам влажных
препаратов Цшейле; однако в кривых экстинкции одних и тех же
препаратов Маккиннея, измеренных на двух разных приборах, разли-
чия доходили до 10% для хлорофилла а и 15% для хлоро-
филла b (такое же примерно различие наблюдалось между этими
кривыми и кривыми, полученными для препаратов Цшейле). Эти
10
Гл ata XXI
отклонения варьировали для разных длин волн, указывая на возможное
присутствие в препарате Маккиннея примеси окрашенных компонен-
тов. Можно пожалеть, что измерения ниже 430 му не производились;
между тем это представило бы особый интерес, так как прежние
эксперименты показали особенно сильную изменчивость кривой по-
глощения именно в этой области спектра (см, стр. 14).
Таблица 1 МАКСИМУМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ РАСТВОРОВ ХЛОРОФИЛЛА в этиловом ЭФИРЕ (главные полосы выделены курсивом)							
№ полосы	Ссылка на литературу						
	[12]	[18]	[22]	[37] 9 |	[39]	[43]	[55]
1	660	657,3	Хлоро 655,6	ф и л л а 662,2	660	660,0	660,0
2	613	612,5	608,5	613,6	—	612,5	614,0
3	577	575,4	574,6	574,1	—	572,5	—
4	—	534,8	531,8	530,6	—	527,5	—
5	—	—	510,8	—	—	—	—
6	—	503,8	494,2	490,5	—	497,5	—
7	—	—	464,1	—	—	—	—
8	—	425,8	430,7	431,1	430	427,5	429,0
9	—	407,0	—	—	—	410,0	410,0
1	643	642,2	Хлоро 637,6	ф и л л b 644,6	642,5	642,5	642,5
2	597	594,7	589,1	595,6	—	592,5	594,0
3	—	—	566,7	567,3	—	567,5	—
4	558	—	559,4	544,6	—	—	—
5	—	—	552,6	—	—	—	—
6	—	537	540,4	.—	—	547,5	—
7	—	—	499,9	—	—	502,5	—
8	—	451,8	449,9	457,3	453	452,5	453,0
9	—	425,2	—	426,5	—	430,0	428,0
*) „Оси" полос, т. е. арифметические средние из длин волн границ почернения на
фотографической пластинке (все другие данные в этой таблице получены при
помощи фотоэлектрической фотометрии).
Различия между кривыми поглощения Цшейле и Маккиннея ка-
жутся незначительными в сравнении с расхождениями между данными,
опубликованными более ранними исследователями (табл. 1). Эти рас-
хождения можно отнести за счет менее точных фотометрических при-
Спектры поглощения пигментов In vitro
11
боров и меньшей чистоты применявшихся ранее препаратов хлоро-
филла, на что ясно указывает их относительно высокое поглощение
в зеленой области спектра (табл, 2),
Таблица 2
МОЛЯРНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭКСТИНКЦИИ а ‘) РАСТВОРОВ ХЛОРО-
ФИЛЛА В ЭТИЛОВОМ ЭФИРЕ
(наиболее вероятные значения выделены курсивом)
-Z-IO'4			Отношение коэффициентов		Ссылка на литературу
красный пик (660 му.)	синий пик (430 лгр-)	зеленый минимум (472 л*р.)	синий пик/красный пик	красный пик/зеленый минимум	
	X л о р о ф	илл а в	Э Т И Л О В О	м эфире	
7,4	8,5	0,27	1,15	27	[18]
7,23	14,3	0,25	1,98	29	[22]
7,65	9,75	0,11	1,28	70	[39]
9,10	12,0	0,08	1,32	114	[43]
9,00	11,7	0,08	1,35	108	[50] 2)
8,34	10,4	0,09	1,39	85	[50] з)
8,78	11,5	0,09	1,31	84	[50]4)
—	—	—	1,33	—	[55]
	X л о р оф	илл b в	этиловом эфире		
4,7	9,4	0,28	2,0	17	[18]
7,10	20,9	0,34	2,91	21	[22]
5,00	13,6	0,26	2,72	19	[39]
5,15	15,5	0,24	3,0!	21	[43]
4,80	12,9	0,24	2,65	20	[50] з)
4,98	13,9 *	0,24	2,79	21	[50] <)
—	—	1»	2,98	—	[55]
х) a = lg (1,11)/cd (с в моль1л и d в см).
5) Влажный препарат Цшейле и Комара; измерен Маккиннеем.
3) Сухой препарат Маккиннея; измерен Цшейле и Комаром,
4) Сухой препарат Маккиннея; измерен им же.
Спектроскопически важным загрязнением, присутствующим, пови-
димому, во многих препаратах хлорофилла, является не содержащий
магния феофитин, образующийся из хлорофилла во всех случаях,
когда последний входит в соприкосновение с кислотами. Цшейле [43],
наблюдая ранее слой феофитина на хроматограмме, ошибочно объяс-
нял это явление наличием в экстрактах листа хлорофилла с (см. т. I,
стр. 404). Удаление магния из хлорофилла может происходить даже
в живых растениях (см. [17, 29, 30]). Так же легко оно может проис-
ходить при экстракции, когда пигменты подвергаются воздействию
кислот, содержащихся в клеточном соке (чтобы нейтрализовать эти
12
Глава XXI
кислоты, Гаррис и Цшейле добавляли к экстрагирующему раствори-
телю карбонат магния). Этот «первичный» феофитин при хромато-
графическом разделении удаляется, однако некоторое количество фео-
фитина может образовываться вновь, например под влиянием атмо-
сферной двуокиси углерода.
Как показано на фиг. 19 и 21, феофорбиды (так же как и фео-
фитины) имеют довольно заметные полосы поглощения в зеленой
области. Цшейле и Комар [43] и Гаррис и Цшейле [55] нашли, что
отношение коэффициентов экстинкции в максимумах красных полос
хлорофилла (660 Ж]х для компонента а в этиловом эфире и 642,5 жр.
для компонента Ь, в том же растворителе) и зеленых полос феофи-
тина (505 и 520 жр соответственно) достигает 52 в растворах наи-
более чистых препаратов хлорофилла а и 19 в таких же препаратах
хлорофилла b и падает до 20 и 4,5 соответственно, после того как
эти препараты простоят всего лишь один день в сухом состоянии.
Поэтому Цшейле и Комар [43] рекомендуют при приготовлении
спектроскопически чистых растворов хлорофилла избегать полного
высушивания. Позже Цшейле, Комару и Маккиннею [50] удалось
приготовить сухие препараты хлорофилла в, которые и при хранении
давали в растворах высокое отношение экстинкций в красной и зеле-
ной областях (что указывает на высокую степень чистоты); однако
стандартная методика для получения таких стабильных препаратов
пока еще не разработана.
Цшейле, Комар и Гаррис [59] нашли, что спектры эфирных
растворов чистых препаратов хлорофилла начинают портиться, про-
стояв неделю в темноте при 0—5°. Сырые же эфирные экстракты
из листьев оказались сравнительно стабильными; некоторые из них
не дали спектроскопических изменений даже после 14 недель хране-
ния (при —20°). Свежие листья пшеницы хранились при —20° в те-
чение целого месяца без разрушения хлорофилла.
Другая проблема очистки хлорофилла связана с удалением следов
хлорофилла а из препаратов хлорофилла Ь. Цшейле считает, что
предполагаемый «чистый» хлорофилл Ь, полученный многими преж-
ними исследователями, содержал до 10% хлорофилла а. Его при-
сутствие легко установить по увеличению поглощения света при 614 жр.
По данным Бирмахера [36], спектр флуоресценции хлорофилла b еще
более чувствителен к загрязнениям хлорофиллом а, чем спектр погло-
щения (см. гл. XXIII, стр. 150). Бирмахер советует для окончатель-
ной очистки хлорофилла b применять экстракцию гексаном (который
растворяет хлорофилл а значительно лучше, чем хлорофилл Ь). Эк-
стракция повторяется до тех пор, пока спектр флуоресценции остатка
уже не будет показывать полос хлорофилла а.
Мейер [38] утверждает, что полоса 535 жр, которая выявляется
в большинстве, если не во всех кривых экстинкции чистого хлоро-
филла а (см. фиг. 1, Б, и табл. 1), не обнаруживается в спектрах
свежих экстрактов из листьев, и делает заключение, что смесь очи-
Спектры поглощения пигментов in viiro
13
щенных хлорофиллов а и b не идентична тому, что он называет
«нативным» хлорофиллом (а-{-£)• Маккинней [39, 42], напротив, счи-
тает, что смесь двух чистых компонентов хлорофилла точно воспро-
изводит спектр свежего экстракта из листьев во всех его деталях
(за исключением, конечно, сине-фиолетовой области, где поглощение
экстрактов частично обусловлено каротиноидами).
Длина волны, мр
Длина волны, мд
Фиг. 1. Кривые поглощения хлорофиллов а и b в этиловом эфи-
ре [43].
1—хлорофилл д; П—хлорофилл Ь. По оси ординат—удельные коэффициенты экс-
тинкции: 1g (/<//)=ауд cd, где с в г/л и d в см. Чтобы получить молярные коэффи-
циенты экстинкции, надо умножить данные для хлорофилла а на 893 и для хлоро-
филла Ь—на 907, (Эти множители даны с точностью до Р/о вследствие того, что сте-
пень гидратации хлорофилла неизвестна; см, т. I, глава XVI). Б — часть графика А
в увеличенном виде.
На фиг. 1, А и Б, показаны кривые поглощения двух компонен-
тов чистого хлорофилла в этиловом эфире, полученные Цшейле и
Комаром [43].
Кривые поглощения, данные Маккиннеем [31, 39, 42] и Винтер-
штейном и Штейном [10], хотя и имеют меньше деталей, но вполне
удовлетворительно совпадают с кривыми фиг. 1. Кривые поглощения,
измеренные Шпрехер фон Бернегом, Хейерле и Алмази [18] и Гаген-
бахом, Ауэрбахером и Видеманом [22], напротив, довольно значительно
отличаются от них, как это можно видеть из табл. 1.
Воспроизводимость красной полосы позволяет использовать ее для
спектрофотометрического анализа обоих хлорофиллов. Этот метод
разработан целым рядом исследователей [9, 15, 16, 18, 44, 48, 51, 53].
Для того чтобы вычислить концентрации обоих компонентов, нужно
произвести измерения для двух различных длин волн. Использование
14
Глава XXI
максимума поглощения у 642,5 и 660 му. дает большую чувствитель-
ность определения, но требует большой точности, так как значения
экстинкции в остром пике полосы поглощения очень чувствительны
к изменениям ширины щели спектрального прибора или небольшим
ошибкам в установке монохроматора. Вследствие этого необходима
проверка на других длинах волн. Все эти ошибки можно было бы
устранить, использовав монохроматический свет, однако спектр ртут-
ной дуги — обычного лабораторного источника монохроматического
света — не имеет подходящих линий в красной и оранжевой об-
ластях.
Как мы уже указывали, особенно сильные расхождения между
различными кривыми экстинкции отмечаются в сине-фиолетовой
области (см. табл. 2). Альберс [45] заметил, что дополнительная
фиолетовая полоса (у 410 му. в эфирном растворе хлорофилла а
и у 430 му. в растворе хлорофилла Ь) иногда проявляется лишь
как едва намеченный выступ на пике главной полосы, а иногда выри-
совывается в виде отдельного пика, почти такого же, как и главная
полоса. Возможно, что наблюдаемые вариации максимальной интен-
сивности фиолетовой полосы зависят от более или менее полного раз-
деления этого дублета.
Расхождения этого типа нельзя приписать присутствию кароти-
ноидов или других загрязнений. Необходимо новое фотометрическое
изучение этой спектральной области. Если отклонения не исчезнут
после дальнейшей очистки веществ и улучшения фотоэлектрической
методики, то объяснение этого факта, возможно, следует искать
в существовании таутомеров.
Мы напоминаем, что три структуры хлорофилла (фиг. 2), опи-
санные в гл. XVI (т. I), характеризовались как таутомерные.
Напомним также, что Стрейн и Мэннинг (см. т. I, стр. 405)
нашли в хроматограммах экстрактов из листьев два новых хлоро-
филла, которые были названы хлорофиллами а' и Ь' и сочтены
таутомерами хлорофиллов а и Ь. Три структуры хлорофилла (фиг. 2, А,
Б я В) имеют различное распределение двойных связей в негидри-
рованных пиррольных ядрах и одинаковое — в гидрированном ядре IV.
Так как красная полоса поглощения как-то связывается с гидриро-
ванием именно этого ядра (см. стр. 27), модификации А, Б и В
могут иметь идентичные красные полосы. Они могут отличаться, однако,
по положению или по форме сине-фиолетовых полос, связанных
с конъюгированной порфиновой системой в целом.
Эрдман и Корвин [62] отметили спектроскопическое подобие этио-
порфирина и N-метилэтиопорфирина и заключили на основании этого,
что два «центральных» атома водорода в порфиновой системе должны
быть закреплены у определенных атомов азота в течение периода
времени, много большего, чем 10-8 сек. Это подтверждает гипотезу
о том, что структуры, представленные тремя формулами на фиг. 2, явля-
ются скорее таутомерными, чем мезомерными.
Спектры поглощения пигментов in vitro
15
До сих пор мы говорили только о данных, полученных с этило-
вым эфиром как растворителем, так как только на основании этих
Н2С = СН
,СЧ
н
.с.
сн3
,СЧ
н2с=сн
сн3
нзс-с< I
С—N
с // >С-С2Н5
н3с -с I
n—с:
нс £ мд
\ — N
/3 сн
НС 8
;с-----N
Мд
। " <С-Сгн5
N—
£СН
N—с;
Н3С-С 8
Н
Н,С -Св
;с
н сн2
(Фитол) |
нзэс2Ооос-сн2
с V С
I ’0 91
НС-----с
I \
соосн
,С
'3
'з
Н2С = СН
X.
,С —N
Н СН2
(Фитол) |
Н39С20ООС—СН2
I v I
нс'М
СООСН 0
Б
СН3
 С.
Н
С.
а\ t
и £c-c2hs
N —cf
Х~ N
с
Н
н
А
НС 5
X — N
Мд Р,СН
/// 5С-СН3
Н
:с
H CH2
(Фитол) I
нзэсгооос-сн2
>v I
I 4
соосн
В
Фиг. 2. Структура хлорофилла а по Гансу Фишеру.
А, Б и В. Изомерные, таутомерные или мезомерные структуры, различающиеся контуром
замкнутой конъюгированной системы (жирные линии) и положением полуизолированных двойных
связей и связей Mg—N, которые зависят от этого контура. А. Полуизолированная двойная связь
в ядре ПГ, Mg связан с ядром I и II. Б. Полуизолированная двойная связь в ядре П\ Mg свя-
зан с ядром I и III. В. Полуизолированная двойная связь в ядре /; Mg связан с ядром II и III.
Звездочки обозначают положение карбонильной группы в хлорофилле Ь.
данных можно сравнить результаты разных авторов. Ссылки на изме-
рения кривых экстинкции хлорофилла в других растворителях со-
браны в табл. 3.
Ультрафиолетовый спектр поглощения хлорофиллов а и b показан
на фиг. 3. Поглощение остается значительным вплоть до 200 мц;
лучше всего выражена двойная полоса хлорофилла у 310 и 335 мц.
В спектре хлорофилла а можно различить максимумы у 325 и 375л<[х.
16
Глава XXI
Таблица 3
ИЗМЕРЕНИЯ КРИВЫХ ЭКСТИНКЦИИ ХЛОРОФИЛЛА В РАЗЛИЧНЫХ
РАСТВОРИТЕЛЯХ
Растворитель	Ссылка на литературу
Метанол		[28] (этилхлорофиллид), [55], [63], [66]
Этанол		[38], [18]
Бутанол (н- и изо-)		[55] 1)
Октанол		[55]
Пропиловый эфир		[55]
Диоксан		[55]
Бензол		[10], [41], [55]
Циклогексан		[55]
Ацетон		[39], [55]
Четыреххлористый углерод . . .	[55]
Метилолеат		[55]
Оливковое масло		[55]
*) Некоторые из кривых Гарриса и Цшейле [55] воспроизведены на фиг. 28.
В более коротковолновой области (X < 260 му.) оба компонента
хлорофилла имеют максимум поглощения у 250 му (ауд^30).
Полоса поглощения около 330 лр. впервые была замечена в спектре
спиртовых экстрактов из листьев крапивы Левковичем [5]. Спектры
поглощения хлорофилла, этилхлорофиллида и фитола в инфракрасной
области были описаны Ван-Гуликом [2] и Стайром и Коблентцом [11].
Хлорофилл прозрачен между 0,7 и 3 (4 (это может быть полезным для
предохранения листьев от перегревания прямыми солнечными лучами).
Он имеет несколько полос поглощения у 3—4 и 5,8 р. Большинство
из них обнаружено также в спектре фитола и отсутствует у этил-
хлорофиллида (фиг. 4 и табл. 4), поэтому их скорее можно при-
писать цепи фитила, чем кольцевой системе хлорофиллина. Частоты
же 1045, 1265, 1450, 1545 и 1610 см~1 кажутся принадлежащими
хлорофиллину.
Рассматривая табл. 1 и фиг. 1, можно заметить чередование пиков
поглощения хлорофиллов а и Ь. Этот факт был интерпретирован
Вильштеттером и Штолем [1], а также Гагенбахом, Ауэрбахером и
Видеманом [22] как указание на то, что эти два сенсибилизатора
дополняют друг друга, обеспечивая полное использование всех длин
волн видимого спектра. Однако небольшие различия в положениях
двух главных полос в красной области и чередование слабых ма-
ксимумов в желтой и оранжевой областях могут оказывать лишь не-
большое влияние на эффективность поглощения света живыми расте-
Спектры поглощения пигментов in vitro
17
ниями^ что, несомненно, должно подтвердиться при подробном сра-
внении (в настоящее время недоступном) спектров поглощения зеленых
водорослей со спектрами бурых водорослей, лишенных хлорофилла Ь.
Имеется, однако, спектральная область, в которой присутствие хло-
рофилла b сильно увеличивает поглощение, —это область от 450 до
Фиг. 3. Ультрафиолетовый спектр хлорофиллов а и Ъ в
этиловом эфире [55].
I—спектр хлорофилла а\ II—спектр хлорофилла Ъ.
При вычислении удельных коэффициентов экстинкции концентрация
взята в г/л.
530 л/р. (см. гл. XXII, стр. 130). Этот факт может объяснить, почему
в растениях, растущих в тени, часто содержится больше хлоро-
филла Ъ, чем в растениях, находящихся на солнце (см. т. I, стр. 405).
У бурых водорослей, которые не содержат хлорофилла Ь, подобное
увеличение поглощения в синей области достигается за счет присут-
ствия фукоксантола (см. стр. 134).
Гораздо более эффективное поглощение во всем видимом спект-
ре могло бы явиться результатом добавления к желто-зеленому
2 Зак. 4040. Е. Рабинович
Пропускание,	Пропускание, °k	Пропускание,
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15
Фиг. 4. Инфракрасные спектры [11].
А. Слой хлорофилла (а+й), приготовленный путем выпаривания
этанольного раствора на отшлифованной пластинке каменной
соли. Б. Жидкий фитол в кювете толщиной 0.3 мм с окош-
ками из каменной соли (II и III) и в капиллярном слое
между двумя пластинками каменной солн (I). В. Тонкие пленки
этилхлорофиллидов (а + д), полученные при испарении на флюо-
рите (I и II) и на каменной соли {III и IV).
Спектры поглощения пигментов in vitro
19
Таблица 4
ИНФРАКРАСНЫЕ ЧАСТОТЫ В СПЕКТРЕ ПОГЛОЩЕНИЯ
ХЛОРОФИЛЛА (а + Ь), ФИТОЛА И ЭТИЛХЛОРОФИЛЛИДА (а + Ь)
(наиболее интенсивные полосы выделены курсивом)
Хлорофилл (a + Z>), гл-1	Фитол, гл-1	Этилхлоро- фил ЛИД (а-ЬН см~1	Хлорофилл (а+Ь), см~1	Фитол, СЛ€-1	Этилхлоро- филлид (а + Ь), см~1
		5 260			1370	1375		
4255	4 200	—	. 1265	—	—
3 365	3380	3455	—	1220	—
2915	2915	2 940	1160	1165	—
2 360	2360	—	—	1 100	—
—	2 035	—	1045	—	1040
1730	1745	—	995	1005	
1675	1675	1695	920	—	
1610	—	—	'835	815	820
1545	—	1550	795	775	780
1450	1445	1450	750	720	735
хлорофиллу а пурпурного пигмента, с максимумом поглощения вблизи
середины видимого спектра. Этот тип пигментации можно найти
у красных водорослей. Они большей частью живут в глубинах моря,
и от эффективного поглощения всех проникающих к ним лучей может
зависеть само их существование. Для растений же, находящихся на
солнце, полное поглощение всего видимого света не представляется
необходимым и даже может быть опасным. Как уже отмечалось
(см. т. I, гл. XIX), хлорофилл принял на себя роль Сенсибилизатора
в фотосинтезе не вследствие какого-либо особо удачного спектра
поглощения, но вследствие своих особых фотосенсибилизирующих
свойств*. Подходящий сенсибилизатор, таким образом, был найден,
а затем природа выработала приспособления для лучшего обеспече-
ния световой энергией видов, живущих в неблагоприятных условиях.
К такого рода приспособлениям относятся повышенное содержание
хлорофилла b у теневых растений, наличие у бурых водорослей
фукоксантола, а у красных — фикобилина. Благодаря присутствию
фикобилина красные водоросли могут расти даже под толстым слоем
сине-зеленой морской воды.
Следует упомянуть о спектре поглощения алломеризованного хло-
рофилла. Когда хлорофилл в спиртовом растворе оставляют стоять на
* С этой точкой зрения нельзя согласиться. Как показал еще К. А. Тими-
рязев, оптические свойства хлорофилла не случайность, а результат целесо-
образного приспособления растений в их историческом развитии к вполне
определенным условиям жизни и, прежде всего, к спектральному составу
солнечной радиации. — Прим. ред.
2*
20
Глава XXt
воздухе, он алломеризуется, т. е., согласно Коненту и Фишеру,
окисляется у атома углерода в положении 10 (см. т. I, стр. 466).
Эта реакция катализируется [65] прибавлением солей LaClg и ВаС18.
Спектроскопические данные говорят о том, что аналогичное или даже
вполне идентичное окисление происходит под влиянием иода или
брома, даже в отсутствие воздуха. Химические наблюдения Фишера
показывают, что хинон дает тот же эффект. Согласно Ливингстону
[65, 66], алломеризация хлорофилла характеризуется спектральными
изменениями, показанными на фиг. 5. Кривые, представленные на этой
Длина волны, мр
Фиг. 5. Спектр поглощения алломеризоваиного и нормаль-
ного хлорофилла а в метаноле [65].
Z—алломеризованный хлорофилл а; II—нормальный хлорофилл а.
фигуре, характеризуют спектр поглощения веществ, полученных хро-
матографическим разделением частично алломеризоваиного раствора.
Кривая, идентичная кривой хлорофилла Ь, была получена при стоя-
нии метанольного раствора хлорофилла а на воздухе при 80° в тече-
ние 2 дней, а также при прибавлении к нему 2—3 эквивалентов иода
или следов (10~б мл) LaCl3 или СаС13. Стояние на воздухе или при-
бавление следов иода не влияло на спектр хлорофилла а в эфире
или четыреххлористом углероде, если не считать медленного общего
обесцвечивания. Если к неполярному растворителю добавить немного
метанола, то алломеризация протекает медленнее, но, как и в чистом
метаноле, полностью завершается. Перенос алломеризоваиного про-
дукта в чистый эфир или четыреххлористый углерод не восстанавли-
вает его первоначальных свойств.
Спектры поглощения пигментов in. vitro
21
В крезоле алломеризация, невидимому, также имеет место, однако
она усложняется и другими изменениями, обусловленными, вероятно,
кислым характером этого растворителя.
Ливингстон и другие [65] измерили также спектр поглощения
желтого и коричневого нестабильных промежуточных продуктов реак-
ции хлорофилла (в метаноле) с FeCls (см. т. I, стр. 469) и щело-
чами («фазовая проба», см. т. I, стр. 464). Результаты будут опи-
саны в главе XXXVII, в разделе, касающемся новых наблюдений
в области химии хлорофилла.
Спектры поглощения хлорофиллов cad,
бактериохлорофилла и протохлорофилла
Для спектра поглощения хлорофилла с, называемого также хло-
рофуцином (см. т. I, стр. 408), характерна полоса в области 630 мц.
Стрейн и Мэннинг [47] определили спектр экстинкции этого веще-
ства сначала путем вычитания кривой экстинкции чистого хлоро-
филла а из кривой, полученной для экстракта хлорофилла из бурых
водорослей, а позднее путем прямой спектрофотометрии изолирован-
ного хлорофилла с.
Из сравнения А а Б (фиг. 6) видно, что результаты, полученные
этими двумя методами, достаточно хорошо согласуются. Две полосы
хлорофуцина расположены в оранжевой и красной областях с макси-
мумами у 575,5 и 627 ж у. в метаноле и у 581 и 631 мр в 80-процентном
ацетоне. На фиг. 6, В, видна также полоса в синей области спектра
(у 446 л<р.), почти в 10 раз большей интенсивности, чем длинновол-
новые максимумы. Отношение интенсивностей этих полос, таким обра-
зом, гораздо больше, чем у хлорофилла 5 (для которого это отно-
шение равно 3), не говоря уже о хлорофилле а, у которого обе
полосы почти одинаковы по интенсивности (см. табл. 2 и 10). Однако
общая картина спектра имеет один и тот же характер. Вассинк и
Керстен [61] и Танада [71] дают аналогичные кривые поглощения
для фракции хлорофилла с, полученной при хроматографическом раз-
делении пигментов диатомовых водорослей. В метаноле они наблюдали
три максимума поглощения, около 450, 590 и 635 яр, причем первая
полоса была почти в 10 раз интенсивнее двух других (см. стр. 30).
Спектр поглощения хлорофилла d красных водорослей был полу-
чен Мэннингом и Стрейном [54]. Так как в т. I об их исследовании
упоминалось лишь вкратце, то здесь следует сказать несколько слов
по поводу этого вновь открытого пигмента. Присутствие хлорофилла d
обнаруживается в спектрах метанольных экстрактов из красных водо-
рослей в виде выпуклости на красной стороне полосы хлорофилла а.
В метанольном растворе чистого хлорофилла а отношение коэффи-
циентов экстинкции для 665 и 760 яр равно 90; в экстрактах из 20
образцов красных водорослей это отношение получалось равным
15—65. Непродолжительное экстрагирование давало растворы с еще
Фиг. 6. Спектры хлорофиллов с, a, d, d' и изохлорофиллов d и d'.
А, Б, В. Спектры хлорофилла с (хлорофуцина) в метаноле [47]. А. Хлорофуцин из Egregia;
бурой водоросли (спектр вычислен по разности I н ZZ): Z—экстракт Egregia', ZZ—хлорофилл а\
III— спектр экстракта Egregia минус спектр хлорофилла а. Б. Тот же самый спектр, измерен-
ный с препаратом хлорофуцина, приготовленным путем адсорбции (точки) или разделения
(сплошная линия). В. Хлорофуцин из диатомовой водоросли Nitzschia (измеренный спектр).
Г, Д и Е. Спектры поглощения хлорофиллов a, d и d1 и изохлорофиллов d и d1 [54]. Кружки
на кривой графика Д соответствуют коэффициентам поглощения изохлорофилла d.
Спектры поглощения пигментов In vitro
23
более низким отношением; так, например, двухминутная экстракция
Gigartina agardhii давала продукт с отношением интенсивности полос
10:1. Повидимому, хлорофилл d экстрагируется метанолом гораздо
легче, чем хлорофилл а. Для выделения чистого хлорофилла d можно
применять хроматографическую очистку. На фиг. 6, I представлен
спектр этого пигмента в метаноле. В этиловом эфире максимумы
полос хлорофилла d лежат у 686, 445 и 395 мц. По спектру,
так же как и по растворимости и другим химическим свойствам,
хлорофилл d ближе к хлорофиллу а, чем к хлорофиллу Ь. Тщатель-
ные поиски хлорофиллов b и с в хроматограммах пигментов из крас-
ных водорослей дали отрицательные результаты (верхний предел со-
держания хлорофилла b по отношению к хлорофиллу а составляет О,3°/о).
Изомеризация хлорофилла d упоминалась в т. I (см. гл. XVI).
Она имеет место в метанольном растворе при стоянии в темноте,
в присутствии или в отсутствие воздуха и приводит к появлению трех
новых пигментов, которые, повидимому, могут превращаться друг
в друга. Эти продукты названы хлорофиллом d!, изохлорофиллами d
и d'. Спектры компонентов d и d' очень похожи, что также можно
сказать и в отношении изомеров изо-d и изо-d'. Спектры последних
почти идентичны спектрам хлорофиллов а и а' (фиг. 6, Д), но ма-
ксимумы хлорофиллов изо-d и изо-d' смещены на 5 ми к синей области
(см. фиг. 6, Е). Красная полоса хлорофилла d (и d') сдвинута почти
на 37 ми в сторону длинных волн по сравнению с хлорофиллами а
и а! (фиг. 6, f).
Изохлорофиллы d и d' не найдены в свежих экстрактах из водо-
рослей. Превращение d -► изо-d, повидимому, происходит более мед-
ленно, чем d —> d! и изо-d —> изо-d'.
Действуя кислотами на четыре d-пигмента, можно получить четыре
превращаемых друг в друга феофитина с различными спектрами.
Однако при последовательной обработке сначала щелочами, а затем
кислотами, из всех четырех d-пигментов получаются спектрально иден-
тичные продукты. Эти вещества отличаются от соединений, получен-
ных такой же обработкой каждого из двух а-пигментов. Табл. 5
иллюстрирует эти соотношения между шестью пигментами: a, a', d,
d', изо-d и изо-d' и продуктами их превращений.
Главная полоса поглощения бактериохлорофилла пурпурных бак-
терий лежит в ближней инфракрасной области и все еще не изме-
рена точно *. Общий вид этой полосы показан на фиг. 7, где также
видно, что спектр поглощения бактериохлорофилла состоит из трех
главных полос: одной — в инфракрасной области спектра (770 жр.
в метаноле, см. также фиг. 23), одной — в оранжевой (605 жр.) и
* В работе А. А. Красновского и К. К. Войновской (ДАН, СССР, 81,
879, 1951) хроматографическим способом выделены бактериохлорофилл и
бактериофеофитин, исследованы их спектры поглощения и фотохимические
свойства. — Прим. ред.
24
Глава XXI
Таблица 5
Хлорофилл d'
Хлорофилл d
НС1,-
Феефитшгс1 ——*
Изохлорофилл d
 It
Изохлорофилл d
HCI,20°
шш-80°.
Хлорофилл ar
If
Хлорофилл a
Изофеофитин d
HCI CHjMgl
Феофитин a
КОН КОН	КОН КОН
KOH	KOH
681 мр	698м(I	658мр	636мр
CHgCOOH СН3С00Н CHjCOOH CH3C00H
672m/z
HCI
691мр	660мр
HCI	HCI
672мр
HCI
690мл
662мр 649мр
CH-COOH CKCOOH
9	□
667мр	652мр
НС1	НС1
I
667мр
одной — в фиолетовой (~400 .ир-). Можно допустить (см. стр. 30),
что две последние полосы аналогичны красной и сине-фиолетовой
полосам хлорофилла а соответственно (вся система сдвинута на
~60 мр в сторону коротких длин волн), тогда как полоса в ближ-
ней инфракрасной области не имеет аналогии в спектре обычного
хлорофилла.
Вопрос об «оранжевых» полосах бактериохлорофилла требует
дополнительного разъяснения. Наша интерпретация основана на кри-
вой поглощения, представленной фиг. 7. Сильная полоса с коротко-
волновой стороны главной «красной полосы» заметна также в спектре
бактериофеофитина (наблюдения Фрэнча, см. фиг. 23), однако она
располагается гораздо дальше в направлении к зеленой области,
у 530 мр- кроме того, имеется слабая полоса у 680 мр и указания
на еще более слабую полосу около 630 мр. Голландские исследова-
тели нашли, что «спиртовой экстракт из пурпурных бактерий обна-
руживает только один максимум поглощения, у 774 мр» (см. гл. XXII),
но до сих пор еще не установлено, насколько широка область, по-
крываемая этой полосой. Кривые поглощения экстракта на фиг. 35
и 36 простираются только до 730—740 мр.
Необходимо уточнить и еще один вопрос: не участвуют ли
в спектре поглощения бактериохлорофиллов производные, аналогич-
ные хлорофиллам Ь, с и dt Существование подобных пигментов
Спектры поглощения пигментов in vitro
25
предполагалось Зейбольдом и Эгле [33] (см. т. I, стр. 409), кото-
рые дали несколько предварительных цифр, характеризующих поло-
жения полос поглощения этих пигментов.
Спектр поглощения бактериовиридина — пигмента зеленых бакте-
рий (см. т. I, стр. 449) — исследовался Метцнером [4] и позже Катцом
Фиг. 7. Кривая поглощения зе-
леного пигмента из бактерии
Spirillum rubrum в метаноле [27].
0,2 сма влажных клеток экстрагировались
в темноте при 0® добавлением 5,2 мл
абсолютно"© метанола. Экстракт сохра-
нялся в темноте, спектр измерялся при
комнатной температуре в очень слабом
свете. Аналогичная кривая была получена
Вермейленом, Вассинком и Реманом [26]
для спиртового экстракта из Chromatiam
(главный пик у 790 лгр., менее выраженные
пики у 705, 600, 510, 470 и 440 лф).
Илина волны, мр
Фиг. 8. Красные полосы поглощения
спиртового экстракта [34].
I—зеленая водоросль Chlorella- II—зеленая
серная бактерия; III—сине-зеленая водоросль
Oscillatorla.
Длина волны, мр
Фиг. 9. Спектр поглощения прото-
хлорофилла.
А. По данным Коски и Смита [64]. Б. По дан-
ным Рудольфа [12].
и Вассинком [34]. Повидимому, он очень похож на спектр хлоро-
филла а. На фиг. 8 представлена красная полоса поглощения в спир-
товых экстрактах из Chlorella (зеленые водоросли), Chlorobium limi-
cola (зеленые бактерии) и Oscillatoria (синие водоросли). Различие
между кривыми I и III может быть отнесено за счет отсутствия
26
Глава XXI
хлорофилла Ь у синих водорослей, тогда как ббльшая разница между
кривыми 111 и 11 указывает на химические различия между хлоро-
филлом а и бактериовиридином. Максимум поглощения бактериови-
ридина в этаноле лежит у 668 мц, тогда как хлорофилл а дает
полосу у 662 мц.
Спектр* поглощения протохлорофилла (из семян тыквы) был описан
Ноаком и Кисслингом [6, 7, 8], а также Рудольфом [12], Зейболь-
дом [25] и Коски и Смитом [64]. Длинноволновые полосы сведены
в табл. 6; весь спектр приведен на фиг. 9.
Таблица 6
полосы поглощения протохлорофилла о
В хлороформе — пири- дине		В эфире				
протохлсрофилл [6.7]		протохло- рофилл [12]	компонент а [25]		компонент b [25]	
X, лр.	порядок интенсив- ностей	X, лгр.	X, лгр.	порядок интенсив- ностей	X, лер.	порядок интенсив- ностей
641-621	1	621	650-620	1	645—632	3
		(602)	620—603	3	632—605	1
582—567	2	571	592—572	2	620-605	4
			572—555	5	587—570	2
540—521	3	536	545—530	4	545—520	5
			<480	—	<500	
х) В работе А. А. Красновского и К. К. Войковской (ДА// СССР, 66, 663,
1949) исследованы спектры поглощения и фотохимические свойства протохлоро-
филла из внутренних оболочек семян тыквы; пигмент был выделен хромато-
графическим способом; главные максимумы его поглощения в эфире лежали
при 623, 571, 533 и 433 лер.; в пиридине —при 633, 588, 550, 453 лер. (± 1 лер-).—
Прим. ред.
Связь между спектром поглощения
и структурой молекулы производных порфина
Чтобы понять роль хлорофилла в фотосинтезе, важно иметь под-
робные сведения о природе наиболее низкого возбужденного состоя-
ния молекулы хлорофилла, так как сенсибилизация должна быть
обусловлена взаимодействием хлорофилла в этом возбужденном со-
стоянии с первичным субстратом или субстратами сенсибилизации
(например, с комплексом {СО2}, представляющим собой результат
соединения СО2 с акцептором или с окислителем {Н2О}; см. т. I,
гл. VII). Если это взаимодействие по своей природе является обрати-
мым окислительно-восстановительным процессом, что можно считать
вероятным, то анализ природы возбужденного состояния может позво-
лить сделать определенные выводы относительно наиболее вероятного
типа окислений (или восстановлений). Теоретический анализ спектров
Спектры поглощения пигментов in vitro
27
порфина был предпринят совсем недавно, и поэтому мы не можем
использовать его в данном обсуждении, которое основано, таким
образом, только на эмпирических данных. Работы Куна [671, Симп-
сона [68] и Платта с сотрудниками [69] будут рассмотрены в последней
главе.
Система конъюгированных двойных связей порфина, которая
составляет основу структуры всех хлорофилловых пигментов, так
же как и порфиринов, представляет собой хромофор, способный
давать сильные полосы поглощения в видимом спектре и близком
ультрафиолете (фиг. 10), что иллюстрируется спектром поглощения
исходного вещества группы — порфина. Спектр порфина дает типич-
ную картину четырех полос, расположенных между 480 и 700 жр
и обычно возрастающих по интенсивности по мере перехода к фио-
летовому концу спектра, если не считать третьей от красного конца
полосы, более слабой, чем вторая. Штерн и Вендерлейн [20] назы-
вают эту картину филлотипом (фиг. 11, В); она характерна для
многих порфиринов. Другие порфирины дают такие же спектры
с четырьмя полосами, но с несколько иным распределением интенсив-
ностей; подобные спектры названы Штерном этиотипом и родоти-
пом (фиг. 11, А и Б). Соединения этих трех типов свободно про-
пускают в красной области спектра; они красного или пурпурного
цвета, почему их и назвали порфиринами.
Кроме серии полос, указанных на фиг. 10 и 11, все производ-
ные порфина имеют так называемую полосу Соре, расположенную
в сине-фиолетовой области спектра и подобную сине-фиолетовой
полосе хлорофилла. Расстояния между четырьмя полосами в зеле-
ном, желтом и красном дают
бательными, соответствующими
одному и тому же электронному
переходу. Сине-фиолетовая по-
лоса стоит отдельно и, вероят-
но, соответствует другому эле-
ктронному уровню (табл. 7 и
фиг. 12).
Спектр порфина претерпе-
вает глубокие изменения (см.
фиг. 11, Г и Д) при гидриро-
вании одного пиррольного ядра,
т. е. при переходе от системы
порфина к дигидропорфино-
вой системе (хлорина или ро-
дина *). Хлорины, как явствует из их названия, имеют зеленый
цвет, что указывает на их интенсивное поглощение в красной, так
основание считать эти полосы коле-
Таблица 7
ПОЛОСЫ ПОРФИНА
Длина волны X, лгр.	Волновое число V, СМ—1	Расстояние между соседними полосами А^, см—1
613	16 300	1 520
560,5	17 820	1 480
517,5	19 300	1230
487	20 530	(2 730)
430	23 260	
* Родинами называются хлорины, полученные из хлорофилла Ь (см. т. I,
стр. 451).
Фиг. 10. Спектр поглощения
порфина [23].
I—в диоксане; II—в бензоле.
Фиг. 11. Типичные спектры производных порфина в области Х>500 жр
[29. 32].
А, Б и В. Спектры порфиринов: этио-, родо- и филлотип. Г и Д. Спектры хлоринов: хлорино-
вый и родиновый тип. Е. Спектр бактериохлорофилла.
Наиболее интенсивная полоса у 420 лер. не показана.
Спектры поглощения пигментов in vitro
29
же как и в сине-фиолетовой-, и на прозрачность в средней части
видимого спектра. На фиг. 13 показан спектр соединения этиотипа:
хлоропорфирин-/4-диметилэфира вместе с продуктом его гидрирования
хлорин-/4-диметилэфиром. Полосы в зеленой и желтой областях
спектра вследствие гидрирования ослаблены и смещены по направле-
нию к более коротким длинам волн, в красной же области (около
660 жр.) появляется очень интенсивная новая полоса, которая совер-
шенно перекрывает все другие полосы в желто-оранжевом участке
Длина волны, мц
Фиг. 13. Спектроскопический эф-
фект перехода от системы порфина
к дигидропорфину (хлорину) в диок-
сане [19].
I—хлоропорфирин-е*-диметилэфир;
Ц—хлорин-е4-диметилэфир.
Фиг. 12. Интерпретация спектра пор-
фина в виде переходов от основного
состояния X к двум возбужденным
электронным состояниям А (колеба-
тельные состояния Ао, Ai, А2, Л3...)
и В.
кривой. Эта полоса почти равна по интенсивности сине-фиолетовой
полосе, не показанной на фиг. 13.
Гидрирование второго пиррольного ядра, которое характерно для
бактериохлорофилла и других производных тетрагидропорфина
(см. т. I, стр. 450), приводит к дальнейшим изменениям спектра
(см. фиг. 11, Е). Как уже отмечалось (см. фиг. 7), наиболее интен-
сивная полоса бактериохлорофилла расположена в ближней инфра-
красной области. Согласно Штерну и Прюкнер [35], полосы того
типа, какой мы встречаем у бактериохлорофилла, в видимой области
(красная, желтая и зеленая) вообще слабее (за исключением одной
сравнительно интенсивной зеленой полосы) и расположены в области
более коротких длин волн по сравнению с соответствующими полосами
хлоринового типа. Таким образом, эффект второго гидрирования,
повидимому, подобен эффекту первого, т. е. ббльшая часть полос
исходного вещества (по крайней мере, в области Л > 450 Лр.) осла-
30
Глава XXI
бляется и сдвигается к синей области, а в длинноволновом конце
спектра появляется новая полоса наибольшей интенсивности. Мы
основывались на этих данных, когда высказывали предположение
(см. стр. 24), что оранжевую полосу бактериохлорофилла (но не
Фиг. 14. Спектры поглощения двух тетра-
фенилпорфиновых изомеров [56].
инфракрасную) можно со-
поставить с красной поло-
сой обычного хлорофил-
ла (см. также стр. 37).
Правило, связываю-
щее главную полосу в
красной или в ближней
инфракрасной области
спектра производных пор-
фирина, с наличием одного
или двух гидрированных
ядер, может иметь очень
важное значение с точки
зрения механизма фото-
сенсибилизирующего дей-
ствия хлорофилла и бак-
териохлорофилла, и по-
этому важно также упомя-
нуть и некоторые явные
исключения из этого пра-
вила. Об одном таком
исключении говорилось на
стр. 26, а именно о про-
тохлорофилле — зеленом
соединении, которое, со-
гласно Фишеру (см. т. I,
стр. 449), несмотря на
свой цвет, является скорее
порфирином, чем хлори-
ном или форбином. В спектре протохлорофилла (см. фиг. 9 и табл. 6)
нет такого преобладания красных полос над желтыми и оранжевыми,
какое наблюдается в типичных спектрах дегидро- или тетрагидро-
порфиновых производных; однако он скорее напоминает эти спектры,
чем спектры типичных порфиринов, представленных на фиг. 11.
Ввиду - этого желательно пересмотреть вопрос о структуре молекулы
протохлорофилла. Достойно внимания, что протофеофитин, полу-
ченный из протохлорофилла при действии кислот, дает типичный
спектр порфирина.
Подобное же исключение представляет хлорофилл с. Как указы-
валось выше, распределение полос у этого пигмента такое же, как
у хлорофиллов а и Ь, однако красная полоса гораздо слабее полосы
Соре. Действительно, спектры хлорофилла с (см. фиг. 6 и прото-
Спектры, поглощения пигментов in vitro
31
хлорофилла (см. фиг. 9) очень близки друг другу. Весьма интересно
поэтому основанное на химических данных заключение Граника о том,
что хлорофилл с также является скорее производным порфина, чем
хлорина (см. гл. XXXVII).
Другая интересная проблема того же рода связана с исследова-
ниями Аронова и Кальвина [56]. Эти исследователи получили путем
конденсации бензальдегида с пирролом несколько соединений, кото-
рые они считают изомерными гексафенилпорфинами. Некоторые из
этих веществ дают порфириновые спектры этиотипа (см. фиг. 11);
в спектрах других имеется резкая преобладающая полоса в красной
области (фиг. 14). Авторы считали сначала, что эти зеленые изомеры
могут содержать одно пиррольное ядро, повернутое вокруг оси с ато-
мом азота во внешнем углу.
Рабинович [60] высказал предположение, что они представляют
собой хлорины, поскольку изомеры хлоринов с гексафенилпорфином
могут возникать, например, путем присоединения одной фенильной
группы к пиррольному ядру и перемещения двух освобожденных
атомов водорода в другое пиррольное ядро:
В дальнейшем Кальвин, Болл и Аронов [57] обнаружили, что два
«изомера», спектры которых представлены на фиг. 14, в действитель-
ности соответствуют двум разным уровням восстановления порфиновой
системы. Таким образом, по крайней мере в этом случае, главную
красную полосу можно рассматривать как показатель частичного
гидрирования.
Однако подобным образом нельзя объяснить другое наблюдение
Аронова и Кальвина, состоящее в том, что добавление соляной
кислоты к растворам тетрафенилпорфина со спектром этиотипа дает
обратимый переход к хлориновому типу (фиг. 15). Аронов и Кальвин
приписывают это образованию соли'.
Порфин -ф- 2НС1 —(порфин Н2)++(С1~)2.
Таким образом, добавление двух ионов водорода оказывает, повиди-
мому, на спектр порфина то же действие, что и добавление двух
атомов водорода. Если это так, то вопрос о спектральном различии
32
Глава XXI
между порфинами и хлоринами сближается с проблемой о кислотно-
щелочных изменениях цвета (см. Эпштейн, Каруш и Рабинович [46]
и Льюис и Бигельэйзен [58]).
Согласно Прюкнер [52], имидопорфирины, которые отличаются
от производных порфина замещением одного углеродного мостика
Фиг. 15. Влияние увеличения кислотности на спектр тетра-
фенилпорфина [56].
Z — без кислоты; ZZ—0,0204 н. НС1, 0,5 мл; 111—то же, 1 мл; IV— то же, 2 мл;
V—то же, 3,50 мл; VI—6,3 н. НС1, 5 мл.
10 мл спирта содержат 5 мл 3’10"в М раствора свободного основания и различ-
ные количества соляной кислоты.
группой NH, также обнаруживают сильную полосу поглощения
в красном. По мнению названного автора, появление этой полосы
вообще связано с возрастанием симметрии молекулы; однако не
вполне ясно, почему гидрирование одного или двух ядер пиррола
или замещение атомов С группами NH должно привести к более
высокой симметрии. Спектр хлоринового типа почти не меняется
Спектры поглощения пигментов in vitro
33
Длина волны, мр
Фиг. 16. Влияние винильной группы
на спектр хлорина в диоксаие [24].
I — мезород охлорин-диметилэфир; II—родохлорин-
диметилэфкр.
при всех превращениях, ведущих от исходного вещества хлорина
к хлорофиллу а. Это согласуется с общеизвестными данными там, где
речь идет о введении метильной и этильной групп. Нужно отметить,
однако, что введение ненасыщенного заместителя (группа винила)
в ядро I также дает лишь небольшой сдвиг полос, как это показано
на фиг. 16. Другими словами, разница на два атома водорода
в боковой цепи почти не сказывается на спектре, тогда как такая
же разница в ядре дает силь-
ный эффект.
Спектроскопический эффект
карбоксильной группы хлоро-
филла также невелик. Спирты,
этерифицирующие эти карбо-
ксилы, оказывают некоторое
влияние на интенсивность полос
поглощения, но не на их поло-
жения'. чем короче углеродная
цепь спирта, тем резче пик
поглощения. В качестве примера
на фиг. 17 показана кривая
поглощения дби/инлфеофорбида
(феофитин) в сравнении с ме-
/иилфеофорбидом.
Заслуживает далее внима-
ния тот факт, что замыкание
карбоциклического кольца,
т. е. переход от хлорина
к форбину, также почти совер-
шенно не оказывает влияния
на спектр, как показано на
фиг. 18. Карбонильная группа в ядре II, присутствие которой
отличает хлорофилл b и его производные от соответствующих со-
единений а серии, дает гораздо более сильный эффект; эти два
хлорофилла имеют совершенно различный цвет: один — сине-зеленый,
другой — желто-зеленый. Фиг. 1 показывает, что эта разница обусло-
влена различным положением сине-фиолетовых полос: хлорофилл а,
поглощающий в фиолетовой и ультрафиолетовой областях, дает сво-
бодное пропускание синего света, тогда как максимум поглощения
хлорофилла b расположен в синей области, так что это вещество
пропускает лишь зеленый свет. Распределение более слабых полос
в середине видимой области также зависит от карбонила в положе-
нии 5 в такой степени, что Штерн классифицирует спектры хлоро-
филла b и его производных как отдельный „родиновый" тип (см.
фиг. 11, Д), отличающийся от типа „хлорина" (см. фиг. 11, Г).
Другая карбонильная группа хлорофилла (в карбоциклическом
кольце, в положении 9) не оказывает заметного влияния на спектр
3 Зак. 4040. Е. Рабинович
34
Глава XXI
производных хлорина. Это кажется удивительным, так как в случае
порфиринов карбонильная группа в том же положении влияет на
спектр в значительной степени. Штерн (см. Фишер и Штерн [95],
а также т. I, стр. 447) предлагает объяснение этого различия,
основываясь на более ранних представлениях Фишера о двух доба-
вочных атомах водорода, находящихся около ядра 777.
В этой интерпретации двойная связь С==0 в положении 9 изо-
лирована от конъюгации с другими двойными связями в молекуле
Фиг. 18. Влияние замыкания карбо-
циклического кольца(переход от хло-
рина к форбину) на спектр хлорина
в диоксане [19].
I—хлорин-а.-диметилэфир; II—хлорин-а8-три-
метилэфир; III—пирофеофорбид-а-монометил-
эфир.
Длина волны, ми
Фиг. 17. Действие этерификации на
спектр хлорина [24].
I—феофитин а в диоксане; II—метилфеофор-
бид а в диоксане.
(см. т. I, стр. 444), и этим можно объяснить, почему ее влияние на
спектр оказывается менее резким, нежели влияние конъюгированных
двойных связей в положении 3.
Как указывалось в т. I (стр. 445), Фишер, основываясь на опытах
по окислительному распаду, пришел к заключению, что два доба-
вочных атома водорода расположены в ядре IV. Определенные раз-
личия между конъюгацией в ядрах 77 и 777 имеются, однако, и
в последней структуре (формула А, стр. 15), а именно: двойная
связь 3—4 в ядре II является частью круговой „ ароматической “
кольцевой системы, тогда как двойная связь 5—6 в ядре 777 нахо-
дится только в „ односторонней “ конъюгации с этой системой. С дру-
гой стороны, в структуре Б связь 5—6 является частью всей кру-
Спектры поглощения пигментов in vitro
35
говой конъюгированной системы, а связь 3—4 соответствует одно-
сторонней конъюгации. Наконец, в структуре В обе связи (3—4 и
5—6) участвуют в круговой конъюгации. Таким образом, различия
между хромофорным эффектом карбоксилов в ядрах II и III кажутся
возможными в структурах А и Б, но не в структуре В. Отметим
далее, что, согласно Штерну и Прюкнер [35], карбонильная группа
в ядре I также не оказывает силь-
ного влияния на спектр. Это гово-
рит о том, что по отношению
к конъюгации роль ядра I по-
добна роли ядра III и структуру Б
(а не структуру А, как утверж-
дает Фишер, см. т. I, стр. 446) сле-
дует считать истинной структурой
хлорофилла. Как отмечалось (т. I,
стр. 447), структура Б имеет
также то преимущество, что она
обеспечивает прямую связь с бак-
териохлорофиллом.
Если эта интерпретация спе-
ктроскопических данных правиль-
на, она означает, что введение
карбонильной группы оказывает
более сильное влияние на спектр,
когда эта группа находится в
конъюгации со связью С=С, ко-
торая, в свою очередь, сопряжена
односторонней конъюгацией с
«ароматической» системой, чем
тогда, когда карбонильная группа
непосредственно присоединяется к
последней.
Введение в молекулу магния
(переход от форбина к филлину)
Длина волны, ми
Фиг. 19. Влияние магния на спектр
порфина в диоксане [20].
Z—метилхлоро филлид а\ ZZ—метилфеофор-
б ид а.
ведет к дальнейшему усилению главной полосы поглощения в красной
области и к ослаблению зеленых полос, как это показано на фиг. 19.
Результатом этого является прекрасный чистый зеленый цвет хлоро-
филла, столь отличающийся от грязного оливково-зеленого цвета
феофитина.
В то время как порфирины, хлорины, форбины и родины отли-
чаются по своим спектрам поглощения в зеленой, оранжевой и крас-
ной областях, их спектры в фиолетовой и ультрафиолетовой областях
дают одну и ту же картину. Как было отмечено Штерном [35], ни
переход от форбина к хлорину, ни введение магния не влияют на
интенсивность сине-фиолетовой полосы поглощения (фиг. 20 и 21).
Сине-фиолетовая полоса сдвигается при гидрировании по направлению
3*
36
Глава XXI
к более коротким волнам, но не испытывает заметных изменений в
интенсивности.
7.0
6.0
3,0
2,0
% 5.0
ж
в
40
см'1
30000	25000	20000
-1 !   I.........
350	400 450 500 600
Длина волны, ми
Длина волны, ми
Фиг. 21. Кривые экстинкции хлоро-
филла и феофорбидов в видимом
спектре и ближнем ультрафиолете [22].
/—хлорофилл а; II—феофорбцд a; Ill—хло-
рофилл b; IV—феофорбид Ь.
Фиг. 20. Влияние перехода от пор-
фина к хлорину на видимый и уль-
трафиолетовый спектр [22].
Z—дигидрофеофорбид; II—феопорфирин as.
Сравнение фиг. 20 и 21 показывает, что атом магния и добавоч-
ные атомы водорода воздействуют на красную область спектра одина-
ково, усиливая главную полосу поглощения в красной области, но
на всем остальном спектре, ниже 600 лги, они проявляют себя, как
антагонисты.
Некоторые теоретические замечания о спектре хлорофилла
Система термов. Выше (см. фиг. 12) мы высказали предполо-
жение, что четыре полосы поглощения порфина в желтой и зеленой
областях представляют собой колебательные полосы, принадлежащие
к одной и той же системе полос, соответствующей электронному
переходу Х-+А. Аналогичное объяснение было предложено Прин-
сом [13] для полос хлорофилла в красной, оранжевой, желтой и
зеленой областях; это согласуется с величинами Av, приведенными
в табл. 8 (см. частоты инфракрасных полос поглощения в табл. 4).
Сине-фиолетовая и две ультрафиолетовые полосы рассматриваются
как принадлежащие к различным электронным переходам.
Спектры поглощения пигментов In vitro
37
В соответствии с этой ин-			Таблица 8
терпретацией схему термов на фиг. 12 можно применить	полосы хлорофилла а		
			Расстояние между
также и к хлорофиллу. Однако	Длина волны	Волновое число	соседними полосами
вместо более или менее равно- мерного изменения вероятности	1, ЛГр.	v, еле”1	Av, см^1
			
в последовательности перехо- дов X—>Л0, X—>Д1, X—>Л2 (что проявляется в постепенном	660 612,5 572,5 527,5 497,5 427,5 375	15100 16300 17 500	1200 1 200
возрастании интенсивности со-		18 900	1400
ответствующих полос порфина		20100 23 400	1 200
и его производных) для хлоро-			(3 300)
филла приходится допустить		96 700	(3 300)
наибольшую вероятность пер- вого перехода, чтобы объяснить	325	30800	(4100)
наибольшую интенсивность пер-
вой полосы поглощения у 660 лгр.. Далее, соотношение между
спектрами порфинов и дигидропорфинов, иллюстрированное кривыми
фиг. 13, говорит о сдвиге полос в гидрированных соединениях скорее
по направлению к более коротким, чем к более длинным волнам.
Поэтому если красная полоса дигидропорфинов соответствует X —> Ло,
то первую полосу поглощения порфинов следует рассматривать как
Х-+Аг, а полосу Х-+Ай считать исчезнувшей вследствие ее малой
интенсивности. Однако это объяснение становится несостоятельным,
если учесть (подробно мы это рассмотрим в гл. XXIII), что и у пор-
финов и у дигидропорфинов главные полосы флуоресценции распо-
ложены вблизи первой полосы поглощения в красной области, не-
зависимо от того, является ли она наиболее слабой из всех полос
поглощения, как у порфина, или наиболее интенсивной, как у хлоро-
филла. Это показывает, что в обоих случаях первая полоса поглоще-
ния соответствует переходу на более высокий уровень Ао. Если бы
первая полоса поглощения порфина была Х-+ Аг (как предполагалось
выше), то главная полоса флуоресценции должна была бы сдвинуться
в сторону более длинных волн по отношению к первой полосе и
появиться приблизительно там, где находится «невидимая» полоса
поглощения Х-+Ао (Рабинович [60]). Так как этого не наблюдается,
то нужно обсудить другую гипотезу, состоящую в том, что гидриро-
вание одного пиррольного ядра приводит к новому возбужденному
электронному состоянию Y (см. схему фиг. 22), расположенному
немного ниже, чем уровень Ло, «унаследованный» от дегидрированной
системы *. На основании фиг. 13 можно ожидать, что вторая полоса
хлорина (612,5 му у хлорофилла), которая интенсивнее, чем соответ-
* Другая возможность, подсказываемая рассмотрением спектров прото-
хлорофилла и хлорофилла с, состоит в том, что полоса X-*Y0 существует и
до гидрирования, ио значительно усиливается последним.
38
Глава XXI
ствующая полоса в негидрированном соединении, может также при-
надлежать системе X—> У (как вторая полоса этой системы,
Х—> Ур ...) и что она маскирует слабую полосу Х-+Ао. Анало-
гичное толкование можно предложить для инфракрасной полосы
бактериохлорофилла и других тетрагидропорфиновых производных.
Мы можем приписать наиболее сильную инфракрасную полосу бакте-
риохлорофилла (см. фиг. 7) новому электронному переходу, X-+Z,
который вследствие гидрирования
Фиг. 22. Гипотетическая система уров-
ней хлоринов.
второго пиррольного ядра добав-
ляется к трем переходам: X—> У,
~~ Х-+А, Х-+В, имеющимся в
спектре хлорофилла.
Одновременно с появлением
нового возбужденного электрон-
ного уровня Z «старые» уровни
У, А и В сдвигаются выше,
давая «фиолетовое смещение»
всех полос бактериохлорофилла,
«унаследованных» от хлорофил-
ла. Инфракрасная полоса X^-Z
доминирует над остальными по-
лосами в спектре бактериохло-
рофилла в большей степени,
_ чем красная полоса X-+Y в
спектре обычного хлорофилла.
Так как абсолютные коэф-
фициенты экстинкции бактерио-
Полоса Х->А0 маскируется полосой	Хлорофилла ДО СИХ ПОр еще Не
известны (фиг. 7 дает только
оптические плотности), то неясно, является ли преобладание полосы
770 .Ир, следствием большей ее интенсивности (большого абсолют-
ного веса) или только следствием относительно низкой интенсивности
других полос.
Кривая удельной экстинкции бактериофеофитина получена Френ-
чем в его последней работе [40] и приведена на фиг. 23. Она пока-
зывает, что молярный коэффициент поглощения бактериофеофитина
(в метаноле) достигает значения 2,7 • 104 в максимуме оранжевой
полосы, тогда как инфракрасный пик почти в два раза выше. Со-
гласно фиг. 17, максимальный коэффициент поглощения обычного
феофитина а в красной области составляет около 4,2 • Ю4 (в ди-
оксане, где пики обычно более резки, чем в метаноле). Поэтому гла-
венствующее положение инфракрасной полосы связано, повидимому,
как с увеличением ее собственной интенсивности, так и со сравни-
тельным ослаблением всех других полос.
.Добавление нового, более низкого электронного уровня при каж-
дом этапе гидрирования системы порфина представляет собой инте-
ресную теоретическую проблему. На первый взгляд следовало бы
Спектры, поглощения пигментов in vitro
39
ожидать, что при большем насыщении число возбужденных электрон-
ных состояний будет уменьшаться, а не увеличиваться.
Если красные полосы дигидропорфина (и инфракрасные полосы
тетрагидропорфина) возникают (или усиливаются) вследствие наличия
электронов, связанных с дополнительными связями, то представляется
вероятным, что свет специфически активирует «внешние» атомы
Фиг. 23. Спектр поглощения бактериофеофитина из
Spirillum rubrum [40].
При вычислении коэффициентов поглощения концентрация взята
в мг]л, толщина слоя —в см.
водорода. Это должно было бы превращать возбужденный хлорофилл
(или бактериохлорофилл) в эффективный донор водорода — свой-
ство, которое может иметь решающее значение для фотохимических
функций этого пигмента. В т. I (стр. 560—562) первичное фотохи-
мическое окисление хлорофилла рассматривалось как возможный
механизм сенсибилизации в фотосинтезе. Эта гипотеза была бы зна-
чительно более правдоподобной, если бы удалось доказать, что по-
глощение света действительно активирует хлорофилл в качестве водо-
родного донора, так как до настоящего времени концепция, объяв-
40
Глава XXI
ляющая хлорофилл фотоактивируемым восстановителем, имеет лишь
одно экспериментальное подтверждение: наблюдение над действием
света на равновесие «хлорофилл — окисное железо» (см. т. I,
стр. 492) *.
Штоль [21] полагал, что возбуждение хлорофилла светом осо-
бенно активирует его «нечетный» водородный атом в положении 10.
Исследования Красновского (см. гл. XXXV) указывают на спо-
собность хлорофилла действовать также в- качестве фотоактиви-
руемого окислителя **.
Время жизни возбужденных состояний хлорофилла. Есте-
ственное время жизни состояния У можно вычислить из интегральной
площади красной полосы поглощения Хо -> Yo. Строго говоря, нужно
было бы принимать во внимание также и вероятности переходов
от Yo к колебательным состояниям Xlt 2..., которые можно получить
из относительных интенсивностей последовательных полос в спектре
флуоресценции (см. фиг. 107); но нас интересуют здесь лишь по-
рядки величин.
Принс [13], который произвел такое интегрирование, получил для
числа «поглощающих электронов» (т. е. числа гармонических осцил-
ляторов с зарядом е, от присутствия которых, в соответствии с клас-
сической электромагнитной теорией, зависит наблюдаемая интенсив-
ность поглощения):
,__ ( 0,24 для молекулы хлорофилла а (в этаноле)
( 0,22 для молекулы хлорофилла 6 (в этаноле) ' ' '
В квантовой теории f есть мера вероятности перехода между
состояниями Хо и Уо, а величина, обратная вероятности перехода,
дает среднее время жизни (т) возбужденного состояния (поскольку
последнее определяется только переходом Yo —> Хо, дающим флуо-
ресценцию). Соотношение между f и т выражается следующей фор-
мулой:
3 me2 1	1,96-10-8
" = Т •1^’7 = —Г-’	(2Ъ2)
* В работах советских исследователей (А. А. Красновский, ДАН СССР,
58, 617, 1947; А. А. Красновский и К. К. Войновская, ДАН СССР, 81, 879,
1951) было показано, что обратное фотохимическое окисление хлорофилла и
бактериохлорофилла достигается лишь в присутствии кислорода, с образо-
ванием перекисных соединений; поэтому известные случаи обратимого окис-
ления пигментов следует рассматривать не как дегидрирование, а как при-
соединение кислорода по А. Н. Баху. — Прим. ред.
** Здесь идет речь о работах А. А. Красновского с сотрудниками по
обратимому фотохимическому восстановлению хлорофилла и его аналогов
(А. А. Красновский, ДАН СССР. 60, 421, 1948 и 61, 91, 1948; А. А. Крас-
новский, Г. П. Брин и К. К. Войновская, ДАН СССР, 69, 393, 1949;
А. А. Красновский и Г. П. Брин, ДАН СССР, 67, 325, 1949 и 73, 1239,
1950 и др.). — Прим. ред.
Спектры поглощения пигментов In vitro
41
где т, с, е и те имеют обычные значения. Теоретическое среднее
время жизни молекул хлорофилла в наиболее низком возбужденном
состоянии (получающемся при поглощении красного света) должно
поэтому составлять:
| 8,2-10-8 сек. для хлорофилла а (в этаноле)
| 8,9 • 10-8 Сек. для хлорофилла b (в этаноле)
(21-3)
Большая интенсивность сине-фиолетовой полосы поглощения (особенно
в хлорофилле Z>) указывает, что естественное время жизни в воз-
бужденном состоянии В несколько меньше, чем в состоянии Y, со-
ставляя, вероятно, 5 • 10-8 сек. или меньше.
Действительное время жизни хлорофилла в состояниях В, А и Y
значительно короче, чем естественное время жизни. На это указы-
вает полное отсутствие полос флуоресценции, которые должны были
бы начинаться с уровня флуоресценции В и А, и относительно малая
интенсивность флуоресценции, берущей свое начало на уровне Y.
В растворах хлорофилла полностью отсутствует сине-фиолетовая
флуоресценция (см. стр. 155), следовательно энергия состояния В
должна рассеиваться за время
5 • 10~12 сек. или меньше. Если
принять, что естественное время
жизни равно 5 • 10-8 сек., то
рассеяние энергии в течение
5 • Ю-12 сек. должно было бы
уменьшить выход флуоресцен-
ции до < 0,01°/о и, таким
образом, сделать ее практи-
чески недоступной наблюдению.
Те же рассуждения прило-
жимы к состоянию А. Легкость,
с которой состояния А и В
превращаются в состояние Y
(о чем свидетельствует возбу-
ждение красной флуоресценции
желтым и синим светом, см.
стр. 156), указывает, что по-
Ф н г. 24. Пересечение потенциальных
кривых.
тенциальные энергии состояний
A, Y и В как функции соответствующих «сопряженных конфигурацион-
ных координат» имеют вид, показанный на фиг. 24. В точке М
электронная энергия возбуждения состояния В легко трансформи-
руется в энергию брлее низкого состояния Y плюс большое коли-
чество колебательной энергии.
Выход красной флуоресценции хлорофилла в растворе равен при-
мерно 1О°/о (см. гл. XXIII). Это показывает, что действительное
время жизни состояния Y в растворе приблизительно в 10 рае
42
Г ла ла XXI
меньше, чем упоминавшееся выше вычисленное естественное время
жизни, т. е. составляет около 5 • 10-9 сек. Различные процессы
«тушения», которые могут быть причиной сокращения времени жизни
возбужденных молекул, будут рассмотрены в гл. XXIII.
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ХЛОРОФИЛЛА
И БАКТЕРИОХЛОРОФИЛЛА
Мы говорили до сих пор о спектрах поглощения хлорофилла и
его производных в растворе так, как если бы они определялись
только химической структурой этих соединений. Однако спектры
поглощения могут изменяться в зависимости от природы растворителя.
Еще сильнее они изменяются при адсорбции на твердых телах или
при образовании коллоидных агрегатов. Эти спектроскопические
изменения обусловливаются взаимодействием поглощающих свет моле-
кул с их соседями. Кундт [74] уже в 1878 г. отметил, что полосы
поглощения многих красителей смещаются по направлению к более
длинным волнам при возрастании показателя преломления раствори-
теля. Это соотношение кажется правдоподобным в свете теории Лон-
дона, которая устанавливает связь между способностью молекул пре-
ломлять свет и интенсивностью междумолекулярных сил, т. е. свой-
ствами, определяющимися поляризуемостью молекул.
Параллелизм между молекулярным притяжением и поляризуе-
мостью доказывает отсутствие других (химических или физических)
сил между взаимодействующими молекулами. Эти силы могут возни-
кать, если молекулы несут электрические заряды, имеют дипольные
моменты или обладают не вполне насыщенными валентностями; по-
этому мы можем ожидать, что правило Кундта будет приложимо
прежде всего к нейтральным неполярным насыщенным молекулам
в неполярных насыщенных растворителях. Это правило приложимо также
к серии полярных или ненасыщенных молекул, в которых дополни-
тельные взаимодействия, связанные с диполями или остаточными
валентностями, приблизительно постоянны (например, в гомологическом
ряду спиртов). Теория молекулярного притяжения Лондона предска-
зывает, что растворители с высоким показателем преломления (т. е.
с высокой поляризуемостью) должны сильно притягивать растворен-
ные молекулы и тем самым вызывать значительную деформацию их
электронных систем и заметно смещать их уровни энергии. Напра-
вление результирующего смещения полос поглощения зависит от
сравнительной поляризуемости растворенных молекул в основном и
возбужденном состояниях. Фиг. 25 показывает, что энергия возбуж-
дения связанной (например, сольватированной) молекулы, Аусольв, свя-
зана с энергией возбуждения свободной молекулы, Av, следующим
уравнением:
AvC0JII,B — Av + S — S* = Av-]-AS,	(21.4)
Спектры поглощения пигментов in vitro
43
где AS — разность энергии растворения нормальной и возбужденной
молекул. Если AS < 0, т. е. если возбужденная молекула при-
тягивается растворителем сильнее, чем нормальная, А>Сольв меньше,
чем hv, и полоса поглощения смещается к более длинным волнам
(как постулирует Кундт). Отрицательное значение AS представляется
правдоподобным, так как возбужденные молекулы обычно имеют
более рыхлую электронную структуру и поэтому поляризуются легче,
чем нормальные.
Фиг. 25. Влияние энергии сольватации на энер-
гию возбуждения (если S*>S, Av>AvCMbi).
S + Av = S* + Чольв - В. В + Д5 = ЬУООЛЪ11 - hv.
Фиг. 25 показывает, что уравнение (21.4) справедливо лишь
в том случае, если расстояния до положений равновесия г* и г0
одинаковы. Вообще это не всегда имеет место (г* обычно несколько
больше, чем г0). Точное выражение для «красного смещения», со-
гласно фиг. 25, имеет следующий вид:
А^сольв — &v = AS-J-8.	(21.4а)
«Красное смещение», таким образом, будет уменьшено на величину 8.
Вероятно, ни одно вещество не подвергалось столь частому ис-
следованию с точки зрения выполнимости правила Кундта, как хло-
рофилл. Интерес к этим исследованиям был связан с тем фактом
(впервые отмеченным Гагенбахом в 1870 г. [72]), что максимум крас-
ной полосы хлорофилла в живых листьях смещен почти на 20 мр
к красному концу спектра, сравнительно с его положением в рас-
44
Глава XXI
творе. Герланд [73] нашел, что такое же смещение наблюдается для
желто-зеленых полос поглощения хлорофилла. Ранее предполагалось,
что это положение полос свидетельствует об особом состоянии хло-
рофилла в живых клетках, и с тех пор были сделаны многочислен-
ные попытки воспроизвести это состояние хлорофилла in vitro. Мы
увидим, однако, в нижеследующем обзоре экспериментальных дан-
ных, что «красное смещение» не является специфическим эффектом,
а должно происходить вследствие различных типов агрегации или
комплексообразования.
Прежде всего мы рассмотрим растворы хлорофилла в различных
органических растворителях, затем коллоидные растворы, комплексы
и адсорбаты,-в которых хлорофилл соединяется с белками, липоидами
или другими носителями.
Влияние растворителя на спектры поглощения
хлорофилла и бактериохлорофилла
Хлорофилл был одним из тех красителей, изучение которых при-
вело Кундта [74] к установлению зависимости между показателем
преломления растворителя и положением полос поглощения, известной
под названием «правила Кундта». С тех пор было произведено боль-
шое количество наблюдений над спектром хлорофилла в различных
растворителях [83—85, 89—91, 101]. Результаты, полученные раз-
ными авторами, согласуются не вполне удовлетворительно. Так, напри-
мер, Губерт нашел 662,5 мр для максимума красной полосы погло-
щения хлорофилла а в метаноле и 664 мр— в эфире, тогда как
Катц и Вассинк получили для тех же растворителей соответственно
664 и 661 мр, Гаррис и Цшейле — 664 и 660 мр. и Баас-Бекинг
и Конинг — 656 и 666 лгр.
Часть расхождений, вероятно, можно отнести за счет плохого
спектрофотометрического оборудования. Кроме того, Маккинней [88]
указывает на ошибки, возникающие при идентификации максимума
полосы с так называемой «осью» полосы (см. стр. 10 и гл. XXIII,
стр. 151). Другие, и может быть более важные, расхождения могут
обусловливаться самими препаратами вследствие того, что экстракты
листьев часто содержат хлорофиллы а и & в невыясненных пропор-
циях. А ведь известно, как трудно получить спектральную воспроиз-
водимость даже с очищенными препаратами одного компонента хло-
рофилла! Незначительные загрязнения растворителя также могут
сильно менять вид спектра (см. стр. 54).
В табл. 9 и 10 дана сводка экспериментальных результатов.
Рассматривая табл. 9 в целом, можно найти лишь очень грубое под-
тверждение правила Кундта, основанное главным образом на том, что
значения Хмм50, превышающие 670 мц, получены только в растворите-
лях с показателями преломления выше 1,5. У растворителей с пока-
Спектры поглощения пигментов In vitro
45
зателями преломления в пределах 1,33—1,5 вариации Хмавс незначительны
и нерегулярны.
Однако если избрать растворители одного химического типа, то
выявится более правильное смещение, по крайней мере, для красной
полосы поглощения.
На фиг. 26 суммированы, в качестве примера, данные Катца и
Вассинка, а также Гарриса и Цшейле для неполярных растворителей
(кривая I) и для спиртов (кривая II).
Фиг. 26. Максимумы поглощения хлорофилла а в раствори-
телях с разной преломляемостью.
I—неполярные растворители; II—полярные растворители.
Смещение синей полосы остается неправильным даже в отобранной
серии растворителей. Наивысшие значения Амавс синей полосы найдены
в растворителе с наиболее низким показателем преломления — в мета-
ноле. Этот факт, вероятно, объясняется специфической чувствитель-
ностью сине-фиолетовой полосы к таутомеризации (гипотеза, обсуж-
давшаяся на стр. 14). Равновесие таутомеризации, как известно,
сильно изменяется при изменении растворителя.
Ливингстон и его сотрудники [105] отметили, что в серии спир-
товых растворов хлорофилла а (от метанола к октанолу) соотношение
между двумя полосами в сине-фиолетовой области меняется по
определенной закономерности. В метаноле оба пика почти одинаково
интенсивны и отделены небольшой выемкой; в октаноле коротко-
волновый пик кажется только незначительным выступом на пике
главной полосы.	\
ПОЛОЖЕНИЯ МАКСИМУМОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ а И Ь В РАЗЛИЧНЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ
(значения, выделенные курсивом, показаны на кривых фиг. 26)
Растворитель	Препараты хлорофилла											
	nD	а+Ь [83]	а + Ь [84]	а + Ь [89]	а в красной области [101]	а в синей области [101]	ь в красной области [101]	ь в синей области [101]	я *) [91]	[911	а’) [90]	ьч 190]
Метанол		1,329	656	662,5	664,0	664,0	434,0	651,0	471,0	666,9	655,5	663,5	653,5
Этиловый эфир 		1,353	666	664,0	661,2	660,0	429,0	642,5	453,0	664,3	645,3	663	642
Пентан		1,357	—	—	660,5	—	—	—	—	662,6	645,3	658,5	640
Ацетон		1,359	664	666,5	661,2	661,5	431,5	643,5	456,0	662,9	645,8	663,5	644,5
Этанол 		1,362	667	668,0	664,0	—	—	—	—	665,5	651,2	663,5	648
Изопропиловый эфир . . .	1,37	—	—	—	661,0	430,0	—	—	—	—	—	—
Этилацетат		1,372	—	—	662,0	—	—	—	—	—	—	—	—
Гексан 		1,375	—	—	660,0		—	—-	—	663,2	645,5	658,5	640
2-Метил-1-пропанол ....	1,39	—	—	—	664,5	433,0	—	—	666,6	652,4	—	—
1-Бутанол		1,402	—	—	—	665,0	432,5	—	—	667,3	652,4	—	—
Амилацетат		1,402	—	—	663,1	—•	—		—	—	—	—	—
1-Амилол		1,410	—	—	665,6	—	—	—	—	—	—	—	—
1,4-Диоксан 		1,42	—	—	—	661,0	433,0			—	—	663,5	644,5
2-Этил-1-гексанол		1,43	—	—	—	666,5	429,5	—•	—		—	—	—
Циклогексан		1,431	—	—	660,5	660,0	434,0	—	—	—	—	—	—
Этиленхлорид 		1,444	—	—	666,1	—	—	—		—	—	—	—
Хлороформ		1,446	668	—	665,0	—.	—	—	—	666,2	648,8	668	647,5
Пиперидин		1,454	—	—	642,0 (!)	—	—	—	—	—	—	—	—
Метилолеат		1,46	—	—	——	662,0	431,5	—	—	—	—	—	—
Циклогексанол		1,466	—	—	665,8	—	—	—	—'	—	—	667	649
Четыреххлористый углерод	1,466	—	664,0	664,7	663,5	432,5	644,0	457,0	—	—	664	645
Толуол 		1,498	—	—	664,1	—	—	—	—	661,1	648,8	—	—
Бензол		1,501	673	672,0	665,3	664,0	432,5	645,0	459,0	668,1	650,9	664	645,5
Ксилол		1,507	——	—	665,6	—	—	—	—	—	—	668	645
Пиридин		1,509	—	—	668,7	—	—	—	—	671,63)	656,1	669,53)	655
Бензилхлорид 		1,542	—	—	665,0	—	—	—	—	—	—	—	—
Нитробензол		1,553	—	—	665,2	—	—	—	—	—	—	668,5	651
Анилин 		1,586	667	—	666,0	—	—	—	—	—	—	673	657
а-Бромнафталин .....	1,659	—	671	670,2	—	—	—	—	—	—	—	—
Сероуглерод		1,630	674	672,5	672,0	—	—	—	—	671,8	654,9	674	650
Метилениодид		1,756	676	674	—	—	—	—	—	—	—	677	655
Лецитин		—	662	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
Оливковое масло 		1,48	—	—	—	669,5	433,0	—	—	—	—	—	—
Парафиновое масло ....	—	668	—	—	—	—	—	—	—	—	668,5	645
Ореховое масло		—	672	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
Кедровое масло		—	674	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
х) Оси полос в разбавленном растворе (2 лг/100 мл).
’) Осн полос.
*) 442 н 669 ± 1 лр. (фотоэлектрические измерения) по Красновскому, Брии и Войковской [108]
48
Глава XXI
Вакки [85] также делит растворители на классы и дает четыре
отдельные кривые Амако =/(л): одну для неполярных растворителей,
другую для слабо полярных растворителей (эфиры, кетоны), третью
для спиртов и четвертую для коллоидных растворов в воде и глице-
рине. Последнюю кривую нельзя, однако, непосредственно сравнивать
с тремя другими, поскольку, как станет ясно ниже, положение полос
поглощения хлорофилла в коллоидных растворах зависит не только
от растворителя, но также и от степени дисперсности золя.
Кривые Вакки, так же как и кривые, приведенные на фиг. 26,
смещаются по направлению к более длинным волнам при возрастании
дипольного момента растворителя, что можно объяснить наложением
сил притяжения между растворителем и растворенным веществом,
обусловленных поляризуемостью, на силы, обусловленные постоян-
ной поляризацией самих молекул. Этот дипольный эффект сильнее
у хлорофилла Ь, чем у хлорофилла а, так как из этих двух соеди-
нений первый компонент более полярен. Например, красная полоса
хлорофилла а, согласно Гаррису и Цшейле, лежит у 660 мр в эфире
и у 664 мр— в метаноле (ДА = 4 мр), тогда как для хлорофилла b
соответствующие значения составляют 642,5 и 651 мр (ДА = 8,5 жц).
Возможно, что при объяснении этого явления следует принимать во
внимание также и водородные связи.
При сравнении влияния преломляемости растворителя на спектры
гомологичных растворенных веществ можно ожидать, что вещества
с более сильной поляризуемостью будут обнаруживать наиболее
сильное смещение. Поляризуемость возрастает с интенсивностью и
длиной волны первой полосы поглощения. Таким образом, спектры
красителей должны быть более чувствительны к изменениям раство-
рителя, чем спектры неокрашенных веществ, а чувствительность кра-
сителей различной окраски должна возрастать вместе со сдвигом
главной полосы поглощения по направлению к более длинным волнам.
Это предположение подтверждается открытием Прюкнер [96], обна-
ружившей, что влияние растворителя сильно возрастает при переходе
от порфинов, через дигидропорфины (хлорины и форбины), к тетра-
гидропорфинам (бактериохлорофиллу). Первая полоса поглощения
хлорофилла расположена гораздо дальше в красной области и более
интенсивна, чем первая полоса поглощения порфиринов; то же самое
можно сказать и при сравнении первой полосы поглощения бакте-
риохлорофилла с первой полосой поглощения хлорофилла. Два
или четыре добавочных атома водорода, имеющиеся в этих соеди-
нениях, привносят с собой электроны, которые легко возбуждаются
светом, давая начало длинноволновой полосе поглощения, и легко
смещаются в электрических полях, тем самым усиливая поляри-
зуемость.
На фиг. 27 представлено смещение максимумов полос бактерио-
хлорофилла и обычного хлорофилла в одних и тех же растворителях.
Мы видим, что при изменении растворителя максимум первой полосы
Спектры поглощения пигментов in vitro
49
бактериохлорофилла смещается почти вдвое сильнее, чем максимум
первой полосы обычного хлорофилла.
Катц и Вассинк [89] экстраполировали кривые фиг. 27 к вакууму
(показатель преломления равен 1) и предсказали, что максимум погло-
щения свободных молекул хлорофилла, если бы его можно было
определить, располагался бы у 648 zt 5 мр, а свободного бактерио-
хлорофилла— вблизи 740 mji.
Фиг. 27. Длины волны максимумов поглощения
экстрактов зеленых пигментов в различных органи-
ческих растворителях, по отношению к их показа-
телям преломления [89].
/ — (верхняя шкала, светлые кружки) экстракты из пурпурных
бактерий (штамм D); //—(нижняя шкала, темные кружки) экст-
ракты из Chlorella. / — сероуглерод; 2—пиридин; 3—хлороформ;
4—бензол; 5—четыреххлористый углерод; б —этанол; 7—эфир;
5—метанол; Р—ацетон.
В растворе пиперидина полоса поглощения хлорофилла лежит
у 642 мр, т. е. за пределами значения, полученного экстраполированием
для свободной молекулы. Это говорит о том, что из правила Кундта
имеются исключения, связанные, вероятно, со специфическим хими-
ческим взаимодействием между растворителем и растворенным веще-
ством. Другое (менее резкое) отклонение от правила Кундта отмечено
Маккиннеем [88, 93] и Эгле ]91].
4 Зак. 4040. Е. Рабинович
50
Глава XXI
Теоретически более правильным было бы наносить на графиках
фиг. 26 и 27 волновые числа. (или частоты), так как они пропор-
циональны энергиям и поэтому могут быть прямо сопоставлены
с членами в выражении (21.4). Однако в узком спектральном интер-
вале, где мы имеем дело с одной полосой одного и того же пигмента,
результаты линейной экстраполяции в шкале волновых чисел не
будут заметно отличаться от результатов, полученных при линейной
экстраполяции в шкале длин волн. При сравнении же смещений
полос, лежащих в разных частях спектра, применение шкалы длин
волн может повести к ошибкам (смещение на 10 мр в области 440 мр
будет, например, эквивалентно в энергетической шкале смещению
в 22,5 мр при 660 мр).
Влияние растворителя на остальные максимумы поглощения хло-
рофилла систематически не изучалось, однако известно, что, в общем,
все они при увеличении показателя преломления растворителя сме-
щаются по направлению к более длинным волнам (см., например,
Эгле [91]). Точные измерения этого смещения могут оказаться полез-
ными для интерпретации спектра, так как можно ожидать (в со-
ответствии с гипотезой, высказанной на стр. 42), что полосы
поглощения, ведущие к одному и тому же верхнему электронному
состоянию, будут обнаруживать одинаковый сдвиг. Красновский
с сотрудниками [108] нашли, что в пиридине полосы II и III сдви-
гаются на 30—35 мр (к 643 и 622 мр соответственно), тогда как
другие полосы смещены всего лишь на 8—15 лгр*.
Влияние растворителя не ограничивается только сдвигом полос,
но проявляется также в изменении их ширины и формы и, быть
может вследствие этого, в изменении абсолютных и относительных
интенсивностей максимумов полос. И в этом случае полосы, ведущие
к одному и тому же возбужденному электронному уровню, должны
обнаруживать сходство в своем поведении (см. Прюкнер [96]). У хло-
рофилла отношение интенсивностей сине-фиолетовой и красной полос
совершенно различно в разных растворителях. Для эфирных рас-
творов хлорофилла а это отношение равно 1,3 (см. табл. 2), в мета-
ноле оно падает до 1 [93, 99, 101] и возрастает приблизительно
до 1,5 в диоксане [101], а может быть также и в бензоле (по изме-
рениям Гауссера, не вошедшим в табл. 10; см. Фишер и Штерн [95]).
На фиг. 28 даны кривые поглощения хлорофиллов а и b в раз-
личных растворителях, по Гаррису и Цшейле [101]**.
* В работах А. А. Красновского с сотрудниками (ДАН СССР, 69, 393,
1949) это смещение полос поглощения хлорофилла в пиридине приписывается
образованию молекулярных соединений хлорофилла с органическими осно-
ваниями по типу гемохромогенов. — Прим. ред.
** Как показал В. В. Евстигнеев (Биохимия, № 5, 1952), кривые погло-
щения хлорофилла, полученные Гаррисом и Цшейле, не могут считаться
сравнимыми в отношении величин коэффициентов погашения. Принятый
этими авторами расчетный метод уравнивания условий основан на непра-
вильных предпосылках. — Прим. ред.
Спектры поглощения пигментов in vitro
51
Таблица 10
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ МАКСИМУМОВ
ПОГЛОЩЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ
(по Гаррису и Цшейле [101])
Растворитель	Синий максимум (хлоро- филл а)	Красный максимум (хлоро- филл Ъ)
Метанол		1,00	2,85
2-Этил-1-гексанол		1,00	—
2-Метил-1-пропанол		1,02	—
1-Бутанол		1,03	—
Метилолеат		1,25	—
Ацетон		1,26	2,95
Оливковое масло		1,29	—
Изопропиловый эфир ....	1,29	—
Четыреххлористый углерод .	1,32	2,54
Бензол 		1,33	2,45
Этиловый эфир		1,33	2,98
Циклогексан 	.	1,36	—
1-н-Диоксан			1,46	—
Характерные изменения, повидимому, имеют место в дублетной,
структуре сине-фиолетовой полосы. У спиртового раствора хлоро-
филла а обе компоненты этой полосы хорошо разделены и их пики
имеют почти одинаковую высоту, так что, может быть, именно бла-
годаря этому разделению полосы на две почти одинаковые компо-
ненты, сине-фиолетовый пик в этом случае лишь незначительно выше
красного. В диоксане же фиолетовая компонента представляет собой
лишь сателлит, который в 2 раза ниже главного синего пика (по-
следний в этом случае почти на 50% выше, чем максимум красной
полосы). В начале главы уже указывалось, что эти различия свиде-
тельствуют, быть может, о таутомерном равновесии; однако это пока
не более, чем предположение.
Представлялось бы интересным определить полную площадь,
охватываемую кривыми, для того чтобы выяснить, меняются ли в раз-
ных растворителях вероятности перехода или просто изменяется
форма полос без изменения их полной площади.
Спектры поглощения красителей вообще и хлорофилла в част-
ности все еще мало исследованы в смешанных растворителях. Наблю-
дения этого типа могли бы дать сведения об условиях и энергии
образования комплексов хлорофилла с различными органическими
молекулами. Ливингстон, Ватсон и Мак-Ардл [105], исследуя сильное
влияние малых примесей полярных растворителей на флуоресценцию
4*


Фиг. 28. Относительные коэффициенты поглощения
хлорофилла в различных растворителях [101].
А. Хлорофилл а в различных спиртах: Z—в метаноле; II—в изо-
бутаиоле; Ш—в октаиоле (2-этил-1-гексанол). Т>. То же в раствори-
телях иного типа: I—в метаноле; II — в четыреххлогистом угле-
роде; III — в бензоле; IV—в 1,4-диоксане. В. Хлорофилл b в раз-
личных растворителях: I—в метаноле; II—в четыреххлористом угле-
роде; III—в бензоле; IV— в ацетоне.
54
Глава XXI
растворов хлорофилла в углеводородах, заметили, что эти примеси
меняют также спектр поглощения. На фиг. 29 показано, например,
влияние следов воды на спектр поглощения бензольного раствора
хлорофилла Ь. В сухом бензоле оба главных пика ниже и с длин-
новолновой стороны красного пика около 670 лу. имеется перегиб.
Фиг. 30 показывает влияние двух других полярных растворителей —
Фиг. 29. Спектры поглощения хлорофилла Ь.
I—в сухом бензоле; П—во влажном бензоле.
бензиламина и бензилового спирта — на спектр поглощения хлоро-
филла а в сухом бензоле. В этом случае главные максимумы погло-
щения более интенсивны в сухом неполярном растворителе и длинно-
волновый перегиб не обнаруживается. Весьма интересно, что спектр
активированного раствора (определение «активированный» относится
к флуоресценции, которая отсутствует в чистом бензоле) остается
неизменным, независимо от того, чем был активирован раствор —
амином или спиртом, хотя спектры поглощения хлорофилла а в чи-
стом бензиламине и чистом бензиловом спирте совершенно различны.
Это может означать, что полярные молекулы ассоциируются пред-
почтительно с определенной таутомерной формой хлорофилла и таким
путем стабилизируют ее. Присутствие незначительного числа этих
молекул превращает, таким образом, спектр нормального хлорофилла
Спектры поглощения пигментов in vitro
55
в спектр таутомеризованного. В чистом же полярном растворителе
полярные молекулы окружают молекулу хлорофилла со всех сторон,
обусловливая тем самым различные и более глубокие изменения
в спектре поглощения этого пигмента.
Спектр поглощения активированного раствора меняется при воз-
растании температуры, указывая на смещение равновесия в сторону
диссоциации:
Chl-|-M+- ^=± tChl • М+-,
Длина волны, мр.
Фиг. 30. Спектры поглощения хлорофилла а вачистом угле-
водороде и углеводороде, содержащем спирт или амин [104].
/—сухой бензол; //—бензиламин; III—бензиловый спирт; IV—бензол, акти-
вированный бензиламином или бензиловым спиртом.
где М+~—полярная молекула, tChl — таутомер хлорофилла. Объясне-
ние этих интересных результатов будет дано в гл. XXIII, после рас-
смотрения данных по флуоресценции.
Евстигнеев,. Гаврилова и Красновский [107] установили, что по-
лярные молекулы не влияют на спектры поглощения и флуоресценции
соединений, не содержащих магния (феофитина и фталоцианина), и
поэтому приписывают отмеченный выше эффект связыванию этих
молекул через остаточные валентности магния.
56
Глава XXI
Следует также сказать несколько слов относительно влияния
растворенных газов на спектр поглощения растворов хлорофилла.
Падоа и Вита (82] описывают изменения в спектрах поглощения
растворов хлорофиллов а и b в бензоле при насыщении растворов
азотом, кислородом, окисью углерода и углекислотой. Сильное изме-
нение спектра наблюдалось под действием СО. Авторы рассматривают
это как указание на существование комплекса хлорофилл — окись
углерода, подобного карбоксигемоглобину. Однако спектры, пред-
ставленные в работе Падоа и Вита, так сильно отличаются от настоя-
щего спектра хлорофилла, что они принадлежат скорее каким-то
продуктам разложения, чем нормальному пигменту. Катц и Вассинк [89]
получили практически идентичные кривые экстинкции для коллоид-
ных водных экстрактов бактериохлорофилла в атмосфере кислорода,
сероводорода, азота, водорода и воздуха.
Евстигнеев, Гаврилова и Красновский [106] утверждали, что при-
сутствие кислорода определенным образом влияет на спектр хлоро-
филла (а -\-Ь или чистого Ь) в толуоле. В их опытах после откачки
воздуха коэффициент поглощения уменьшался в обоих максимумах,
которые слегка смещались по направлению к красной области спектра.
В хлорофилле Ь при удалении воздуха появлялся новый максимум
поглощения у 670 мр. Все эти изменения были обратимы, однако
в ультрафиолете наблюдались и необратимые изменения. Аналогичные
эффекты были отмечены также в четыреххлористом углероде и
гептане, в пиридине же, этаноле, ацетоне и бензоле наблюдать их
не удалось. Добавление одной капли спирта, пиридина или ацетона
к 10 мл толуола уничтожало эффект откачки. Однако позднее те же
самые исследователи [107] обнаружили, что все перечисленные
эффекты, которые они приписывали присутствию воздуха, на самом
деле связаны с присутствием водяных паров.
Эти результаты, очевидно, в какой-то мере подтверждают выводы
Ливингстона, считающего, что состояние хлорофилла в неполярных
растворителях отличается от его состояния в растворах, содержащих
хотя бы небольшие следы спирта или воды. Евстигнеев, Гаврилова
и Красновский [1061 предполагали, что в отсутствие полярных мо-
лекул хлорофилл димеризован и что димер диссоциирует под влия-
нием молекул кислорода, так как димеризация обусловлена ненасы-
щенными валентностями магния, которые могут быть насыщены также
и кислородом. Однако последующие результаты их собственных
исследований [107] сделали это объяснение действия кислорода
излишним.
В растворителях промежуточного типа, а также в смешанных или
просто недостаточно очищенных растворителях могут одновременно
существовать оба типа взаимодействия.
Изменения в спектре поглощения хлорофилла могут также вызы-
ваться, по наблюдениям Ливингстона и сотрудников [103, 104], незна-
чительными примесями других веществ, не являющихся полярными
Спектры поглощения пигментов in vitro
57
растворителями. В качестве примера можно привести соли иода,
брома, железа и церия [86], а для хлорофилла Ь (но не хлорофилла а) —
фенилгидразин. Некоторые эффекты этого типа аналогичны влиянию
полярных растворителей, т. е. они могут обусловливаться обратимым
возникновением молекулярных комплексов. Большей частью, однако,
они связаны с необратимыми химическими изменениями, например
алломеризацией (или вообще окислением) или восстановлением (которое,
повидимому, происходит при воздействии фенилгидразина на хлоро-
филл Ь). Эти явления не могут объясняться влиянием среды на спектр
поглощения хлорофилла; скорее их можно было бы отнести к
разделу, посвященному химическим реакциям хлорофилла, обнару-
живаемым спектральными измерениями (см. т. I, стр. 454—473, и
гл. XXXVII* **).
Спектры поглощения коллоидного и адсорбированного
хлорофилла * *
Водно-коллоидные растворы хлорофилла получаются при смешении
молекулярного раствора этого пигмента (в спирте или ацетоне) с водой.
Спектр такого коллоидного раствора зависит от условий смешивания;
по этой причине наблюдались расхождения в положениях максимумов
полос коллоидного хлорофилла, полученных прежними исследовате-
лями. Герличка [76], Вильштеттер и Штоль [79] и Баас-Бекинг и
Конинг [83] нашли, что максимум главной полосы коллоидного раствора
совпадает по положению с максимумом хлорофилла в листьях, т. е.
лежит около 680 м\>.. Ивановский [75, 77] и Губерт [84] обнаружили
тот же максимум у 668 лр, т. е. в той самой области, где располагается
максимум главной полосы большинства истинных растворов. Губерт
нашел, однако, что положение максимума зависит от степени дисперс-
ности коллоидной системы; добавление хлористого магния, который
обусловливает рост частиц и в конце концов приводит к флоккуля-
ции, сдвигает максимум на 8 лр (от 668 до 676 лр). Позднее Вакки [85]
и Мейер [92] установили, что существенным фактором в этом случае
является не размер коллоидных частиц, а их внутренняя плотность,
т. е. концентрация в них молекул хлорофилла.
Коллоидный раствор, приготовленный Мейером при быстром добавле-
нии 3 объемов воды к 1 объему раствора хлорофилла в. этаноле, был
совершенно прозрачным и нефлуоресцирующим и содержал частицы
0,5—3 р в диаметре. Максимум полосы лежал у 670 лгр, и форма
кривой экстинкции была подобна кривой исходного раствора в эта-
ноле. Коллоидный раствор, приготовленный при быстром добавле-
нии 0,6 объема воды к 1 объему раствора хлорофилла в этаноле
* Здесь и в дальнейшем автор ссылается на главы т. III, который еще
не опубликован. — Прим. ред.
** Систематические исследования оптических и фотохимических свойств
хлорофилла в разных состояниях были сделаны в работе А. А. Красновского
и Г. П. Брин (ДАН СССР, 63, 163, 1948). — Прим. ред.
58
Глава XXI
с последующим разбавлением 6,4 объема воды, был мутным и опа-
лесцирующим. Его частицы имели в диаметре 1—3 у., т. е. мало
отличались по размерам от частиц первого прозрачного коллоидного
раствора, но в них содержалось больше пигмента. Максимум поглоще-
ния этого коллоида был расположен дальше по направлению к крас-
ной области — у 673 мц, и весь вид кривой экстинкции в большей
степени напоминал кривую экстинкции хлорофилла в листьях (фиг. 31).
Мейер считает спектры этого коллоидного препарата и листьев иден-
тичными, но фиг. 31 не подтверждает этого заключения. Путем под-
счета частиц в коллоидном растворе Мейер нашел, что концентрация
хлорофилла в частицах мутного раствора имеет порядок 0,13 моль)л,
т. е. подобна концентрации хлорофилла в хлорофильных гранулах
Фиг. 31. Кривые пропускания листьев и коллоидных
растворов хлорофилла [92].
I и ZZ—листья; III—коллоидные растворы.
листьев (см. т. I, гл. XV, стр. 414). Даже эти «плотно упакованные»
коллоидные частицы были еще далеки от твердого состояния, так
как содержали до 9О°/о растворителя.
Вследствие сильного поглощения спектры поглощения красителей
обычно измеряются при концентрациях порядка 10-6—10-4 моль!л.
Растворы хлорофилла в этих пределах концентраций не дают откло-
нений от закона Бэра, т. е. кривая экстинкции не изменяется при
изменении концентрации. Растворы красителей, содержащие 10~3моль/л,
могут исследоваться в очень тонких стеклянных кюветах (~ 0,1 мм
толщины), однако даже такие растворы являются в 100 раз более
разбавленными по сравнению с концентрацией 0,1 моль[л, достигну-
той в коллоидных частицах Мейера и обнаруженной в хлоропластах
листа. Вакки [85] эмульгировал эфирный раствор хлорофилла в насы-
щенной смеси вода — эфир, пропускал через него воздух и отмечал
изменения в спектре поглощения по мере того, как эфир испарялся и
хлорофилл в капельках становился все более и более концентрирован-
Спектры поглощения пигментов in vitro
59
ным. При определенной концентрации (автором не указанной) полоса
поглощения начинала смещаться к красной области спектра с 666 до
676 Ж|А. Это говорит о том, что смещение, подобное тому, которое
получается при накоплении хлорофилла в коллоидных частицах, можно
получить и путем увеличения концентрации хлорофилла в истинном
молекулярном растворе. Когда эфир полностью испарялся, остающийся
сухой хлорофилл обнаруживал максимум поглощения у 679 мр. Это
приблизительно совпадает с измерениями Губерта [84], который дает
680,5 для максимума поглощения твердого хлорофилла (тонкая
пленка сухого хлорофилла на стекле).
Возможность обмена энергии между возбужденными и нормаль-
ными молекулами хлорофилла и спектроскопический эффект этого
обмена, который должен возрастать с увеличением концентрации пиг-
мента, будут рассмотрены в гл. XXXII, в связи с представлением
о «фотосинтетической единице» и другими подобными гипотезами.
Сходство спектров поглощения твердого хлорофилла в суспензиях
и хлорофилла в живых клетках впервые было указано Иванов-
ским [75, 77].
Таким образом, можно считать, что смещение красной полосы
хлорофилла по направлению к более длинными волнам (приближаю-
щее ее положение к спектру листа) может быть осуществлено не
только взаимодействием с растворителем высокой полярности или
поляризуемости, но также и взаимодействием с другими молекулами
хлорофилла. Это открывает возможность для нескольких альтернатив-
ных объяснений состояния хлорофилла in vivo. Катц и Вассинк [89],
исследуя бактериохлорофилл, обнаружили, что полоса поглощения
оставшейся после выпаривания пленки пигмента сдвигается не больше
чем на 2,5 мр по сравнению с тем положением, какое она занимает
в растворе, тогда как в живых бактериях и в коллоидных экстрактах
из бактерий та же самая полоса смещается по направлению к более
длинным волнам на 80—100 мр. В этом случае положение полосы
в спектре живых клеток определенно указывает на взаимодействие
с другими компонентами клетки, а не только на тесную близость
молекул пигмента *.
«Красное смещение» полос поглощения хлорофилла, вероятно,
можно получить также при адсорбции на соответствующих носителях.
По данным Зейбольда и Эгле [97], красная полоса поглощения адсор-
батов хлорофилла на крахмале расположена у 662 мр, т. е. находится
в той же области, где лежит полоса раствора. Кривые фиг. 32, заим-
* В работах А. А. Красновского, К. К. Войновской и Л. М. Кособуцкой
(ДАН СССР, 85, 389, 1952) было показано, что твердые пленки и коллоид-
ные растворы хроматографически очищенного бактериофилла обладают
максимумом поглощения при 800, 850 и 890 мр (как и в бактериальной
клетке). Результаты Катца и Вассинка объясняются применением неочищенных
экстрактов пигмента, содержащих дезагрегирующие липоидные примеси. —
Прим. ред.
60
Г лава XXI
ствованные у Зейбольда и Вейссвейлера [100], показывают, что пики
поглощения хлорфиллов а и Ь, адсорбированных на сахаре, располо-
жены у хлорофилла а при 670 и 450 .и;х и у хлорофилла b при 662
и 488 — значения, которые соответствуют сдвигу на 10 и 20 мр
для компонента а и на 19 и 35 ла для компонента Z», по сравнению
с положением этих полос в эфире. Сдвиги сине-фиолетовых полос
Длина волны, мр.
Фиг. 32. Кривые пропускания и отражения хлоро-
филлов а и Ь, адсорбированных на сахаре [100].
столь значительны, что эти данные нуждаются в проверке (см. о поло-
жении сине-фиолетовых полос в живых клетках, гл. XXII, стр. 112).
Эйслер и Портгейм [80] и Ноак [81] сообщают, что спектры погло-
щения адсорбатов хлорофилла на белках «подобны спектрам живых
клеток», но не приводят цифр.
Можно получить кривые поглощения для «натуральных» хлоро-
филл-белковых коллоидов, экстрагированных из листьев, водорослей
и бактерий. Смит [87, 98], экстрагируя хлорофилл из листьев шпи-
Спектры, поглощения пигментов in vitro	61
------------------------------------------9------------------------
ната, получил кривую поглощения для сырого экстракта, содержав-
шего разрушенные хлоропласты или гранулы, и другую кривую для
того же экстракта, просветленного дигитонином (фиг. 33, А и Б).
Максимум кривой А лежит у 678 №, а кривой Б — у 675 мр.
Относительно сильное поглощение в фиолетовой области спектра сырых
экстрактов, возможно, обусловлено присутствием желтых пигментов;
сильное их поглощение в далекой красной области (> 700 .ир.) было
приписано Смитом рассеянию. Однако возрастание поглощения в дале-
кой красной области наблюдалось также Ноддаком и Эйхгофом
в суспензиях из Chlorella (см. фиг. 68), хотя эти исследователи
Фиг. 33. Кривые поглощения экстрактов из листьев шпината [86J.
А. Водный экстракт. Б. Экстракт в 2-процентном дигитонине, разбавленном водой (1 :10).
применяли интегрирующие методы, которые, как принято считать,
дают истинные значения поглощения, свободные от эффектов рас-
сеяния.
Рабидо, Френч и Хольт [102] дают кривые поглощения (получен-
ные при помощи сферы Ульбрихта) и кривые пропускания (получен-
ные на спектрофотометре Бэкмана) для суспензий хлоропластов,
приготовленных при помощи ультразвука. Эти кривые, представленные
на фиг. 62, показывают, что повышенное ослабление в красной
области гораздо более характерно для пропускания, чем для истин-
ного поглощения, что подтверждает предположение Смита и противо-
речит результатам Ноддака и Эйхгоффа.
По данным Смита, молярный коэффициент экстинкции хлорофилла
в максимуме красной полосы приблизительно один и тот же в водном
экстракте, содержащем дигитонин, и в эфирном или ацетоновом
растворе. Другими словами, смещение этой полосы с 660 до 675
не сопровождается изменением ее интенсивности.
62
Г лае a XXI
Кривые поглощения коллоидного хлорофилл-белкового экстракта
были даны также Катцом и Вассинком [89]. Фиг. 34 показывает поло-
жение красной полосы в спектрах суспензий Chlorella и в коллоидных
Длина волны, мр Длина волны, мр Длина волны, мр
Фиг. 34. Сравнение спектров поглощения суспензий клеток и экстрактов
_ пигментов из Chlorella в различных средах [89].
А. Фосфатный буфер; pH 6,6; 1/15 М. Б. Дестиллированная вода. В. Питательная смесь Кнопа.
Г. Дестиллированная вода (клетки) и свежий яичный белок (коллоидный экстракт). Д. Дестилли-
рованная вода (клетки) и спирт.
I—клетки; II—экстракты.
экстрактах из тех же клеток. Положение максимумов всех этих кри-
вых (около 680 .ир.) почти одно и то же; однако форма кривых зависит
от среды, особенно в случае хлорофиллов а и Ь. Растворы в яичном
белке имеют кривую экстинкции, практически совпадающую с кри-
вой для живых клеток. Кривые фиг. 34, Д показывают, наоборот,
Спектры поглощения пигментов in vitro
63
сильное смещение, получающееся при экстрагировании пигмента спир-
том. Аналогичные кривые опубликованы Катцом и Вассинком [89] и
Френчем [94] для коллоидных экстрактов из пурпурных бактерий
(фиг. 35 и 36).
Длина волны, мц	Длина волны, мц
Фиг. 35. Сравнение спектров поглощения суспензий клеток и экстрактов
пигментов из серных бактерий (штамм D) в различных растворителях [89].
А. Фосфатный буфер; pH 6,6; 1/15 М. Б. Дестиллировавная вода. В. Питательная среда № 231.
Г. Дестиллированная вода (клетки) и спирт.
Z—клетки; II—экстракты.
Кривую пропускания водных экстрактов сине-зеленых водорослей
Chroococcus можно видеть на фиг. 97, Б. В этих экстрактах комплекс
фикоцианин—белок образует истинный коллоидный раствор, тогда
64
Глава XXI
как другие пигменты находятся, вероятно, в том же состоянии дис-
персности, как и в экстрактах из зеленых водорослей и листьев.
lg(l0/l)	lg(i0/D
Фиг. 36. Сравнение спектров поглощения суспензий клеток и пигментных
экстрактов из Rhodospirillum rubrum в различных средах [89].
А. Фосфатный буфер; pH 6,6; 1/15 М. Б. Дестиллированная вода. В. Питательная среда № 231.
Г. Дестиллированная вода (клетки) и спирт (см. стр. 62). По поводу различия между спектрами
клеток (и спектрами коллоидных экстрактов) в А и Б см. стр. 111.
/—клетки; //—экстракты.
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ КАРОТИНОИДОВ
Экспериментальные результаты
Кривые экстинкции каротиноидов в органических растворителях изу-
чались очень многими исследователями [109, ПО, 112, 118, 119,
121 — 123, 125, 128, 130, 133, 134, 137, 138, 140].
Спектры поглощения пигментов in vitro
65
Недавно ряд кривых поглощения был получен Каррером и другими
и воспроизведен в монографии Каррера и Юкера [142].
Спектры поглощения каротина и ксантофилла листьев в инфра-
красной области исследовались Стайром и Коблентцом [117]. Эти
вещества дают серию полос поглощения, характерных для длинных
ненасыщенных углеродных цепей; многие из них почти совпадают
с полосами поглощения фитола (см. табл. 4).
Спектры всех каротиноидов в видимой области характеризуются
двумя или тремя интенсивными полосами вблизи фиолетового конца
спектра, зависимости от того, захватывают ли эти полосы синюю
или зеленую область, цвет пигмента может быть желтым, оранжевым
или даже красным. Положение полос поглощения зависит (и часто
даже сильнее, чем в случае хлорофилла) от состояния пигмента и
окружающей среды. В табл. 11 показано, что направление сдвига
полос в различных растворителях то же, что и у хлорофилла, т. е.
полосы смещаются в сторону длинных волн при возрастающей поляр-
ности и поляризуемости растворителя. При переходе от эфира к серо-
углероду «красное смещение» составляет 43 для каротина (3 и 35 мр
для лютеола (напомним, что для хлорофилла оно равно всего 10 мр).
Однако этот эффект при переходе от неполярного к полярному раствори-
телю приблизительно той же самой поляризуемости, например от эфира
к этанолу, оказывается меньше у каротиноидов, чем у более поляр-
ных хлорофиллов.
Еще более сильное смещение иногда наблюдается в водных кол-
лоидных растворах. По данным Каррера и Штрауса [124], максимум
полосы I каротина смещается с 480 мр в гексане и эфире до 510 мр
или даже 535 в гидрозолях. Это смещение также значительно
больше того, которое наблюдалось в коллоидных растворах хлоро-
филла. Вследствие такого смещения некоторые каротиновые золи имеют
красную окраску, тогда как их молекулярные растворы желтые.
Кроме смещения максимумов полос в спектре каротиноидов, изме-
нение среды может приводить также к расширению самих полос. Этот
эффект особенно ярко проявляется у некоторых каротиноидов водо-
рослей. Так, например, кривые, построенные Стрейном, Мэннингом
и Харденом [137] для спектра фукоксантола, дают значительное упло-
щение пиков поглощения и расширение полос в сторону длинных
волн в спирте по сравнению с петролейным эфиром. Влияние раствори-
теля на спектр перидинола (пигмента жгутиковых из отряда панцир-
ных) выражено столь же сильно. Повидимому, цвет бурых и диатомо-
вых водорослей скорее можно объяснить распространением полос
поглощения каротиноидов в зеленую часть спектра, чем сдвигом их
максимумов. Поражающее наблюдателя различие между их цветом и
цветом зеленых растений кажется необъяснимым, если рассматривать
только спектр раствора фукоксантола (см. фиг. 41) или перидинола,
так как они почти идентичны спектрам каротинолов зеленых листьев
(например, лютеолу и зеаксантолу).
5 Зак. 4040. Е. Рабинович
Таблица 11
МАКСИМУМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ КАРОТИНОИДОВ В РАСТВОРЕ
Пигмент	Местонахождение	Растворитель	Полосы			Ссылка на литературу
			1	2	3	
		Этиловый эфир	478	449	—	[116]
		н-Гексан . .	480	450	—	[118]
		То же . . . .	478	452	—	Вальд (не опу-
					4	' блико-
Р-Каротин 	Все расте- ния		477	450	—	в ано) [131]
		Циклогексан	482	451	—	[ИО]
		Этанол . . .	478—492	448—459	—	[109]
		Хлороформ .	497	466	.—	[114]
		Сероуглерод.	521	486	—	[113, 115]
		Вода 1) • • •	510—535	475—488	—	[124]
р-Неокаро-	Зеленые ра-	н-Гексан . .	467	442,5	—	[131]
ТИН	стения	Этиловый эфир	470	440	—	[И6]
			472	447	420	[125]
		Этанол . . .	473	451	—	[125]
		- • • •	480	450	421	[1И]
	Зеленые ра-		477,5	446,5	424	[130]
Лютеол	стения и	1,4-Диоксан .	482	453	423	[125]
	водоросли	Хлороформ •	486	455	424	[Ш]
			485	457	430	[125]
		Сероуглерод.	505	473	441	[111]
		» •	506	474	440	[125]
Виолаксан-	Зеленые ли-	Этанол . . .	472	442	417	[137]
ТОЛ	стья и бу- рые водо- росли					
Зеаксантол	Зеленые ли-	» • • •	479	452	—	[130, 137]
	СТЬЯ	Хлороформ .	484	459	—	[П4]
		н-Гексаи . .	477	451	.—	Вальд (не опу-
						блико-
Фукоксан- тол	Бурые водо- . росли	Этанол . . .	492	457	—	в ано) [И4]
		» • • •	—	453	—	[137]
		Петролейиый		451	423	[137]
		эфир . . .	478			
		Метанол . . .	476	450	426	[141]
') p-Каротин образует в воде коллоидный раствор.
Спектры поглощения пигментов In vitro
67
Продолжение табл. 11
Пигмент	Местонахождение	Растворитель	Полосы			Ссылка на литературу
			1	2	3	
Нёофуко- ксантол А	Диатомовые водоросли	Этанол . . .	—	447	—	[137]
Неофуко-	То же	„ • . •	—	446	—	[137]
ксантол В						
Диадино- ксантол	Диатомовые водоросли и жгутиковые	” ...	478	 448		[137]
Диатонантол	Диатомовые водоросли	»	•	• ф	481	453	—	[137]
Перидинол	Жгутиковые, отряд пан- цирных	» • • •	475	—	—	[137]
Неодино-	То же	» • • «	466	438	—	[137]
ксантол						
Неодиадино-	» »	» . . ♦	471	442	—	[137]
ксантол						
Неопериди-	» •	» ...	464	—		[137]
НОЛ						
Днноксантол	V	»	V	•	•	•	471	441,5	—	[137]
Родовио- J	Пурпурные J	Этанол . . .	526	491	(465)	[120]
ласцин 1	бактерии (	Сероуглерод .	573,5	534	496	[120]
Родопол |	То же	|	Этанол . . . Сероуглерод .	505 547	474 508	(445) 478	[120] [120]
Флавооо- (	(	Этанол . . .	472	443	—	[120]
днн	)		Сероуглерод .	502	472	—	[120]
Недавно Каррер и другие [136, 142] опубликовали кривую погло-
щения фукоксантола в гексане (см. фиг. 43), которая дает сравни-
тельно медленное спадание поглощения по направлению к более длинным
волнам. Поглощение остается заметным вплоть до 550 яр, тогда как
большинство других каротиноидов дает кривые, спадающие до нуля
уже к 500 яр. Остается невыясненной причина различия между этой
кривой, которая вместе с кривой поглощения хлорофилла должна была
бы объяснить коричневую окраску водорослей, содержащих фуко-
ксантол, и кривой, полученной Вальдом [132] в том же раство-
рителе.
Кривые, приводимые Вассинком и Керстеном [141] для спектра
«желтой» и «оранжевой» фракций каротиноидов из диатомовых водо-
рослей Nitzschia dissipata, также дают расширение полос поглощения
второй фракции (в метаноле) приблизительно до 550 яр; максимумы
расположены у 426, 450 и 476 яр (см. табл. 11). Кривые, полученные
5*
Ф и г. 37. Спектр поглощения р-каро-
тина в гексане [130].
Ф и г. 38. Спектры поглощения а-ка-
ротииа, p-каротина и ликопена в сме-
си из 80% этанола н 20% диэтило-
вого эфира [123].
I—а-каротин; II—p-кйротин; III—ликопен.
Длина волны, мц	Длина волны, мц
Фиг. 39. Спектры поглощения лю- Фиг. 40. Удельные коэффициенты
теола и зеаксантола в этаноле [130]. поглощения лютеола в этаноле [125].
I—лютеол; ZZ—зеаксантол. При вычислении Z—сухой лютеол; ZZ—лютеол с 2,65°|» петро-
удельных коэффициентов поглощения концен- лейного эфира (точки—лютеол в этаноле по
трация взята в г/л, толщина слоя —в см. данным Смакулы [118]); III—чистый лютеол;
IV—то же, после нагревания в течение 3 час.
при 77°. Значения 1g а для I и ZZ—иа Левой
шкале, для III и ZV—cnpaea.
Длина волны, мц
Фиг. 41. Спектр поглощения фуко-
ксантола в гексане [132]. Другую
кривую такого же раствора см. на
фиг. 43.
Фиг. 42. Спектры поглощения каро-
тинолов [137].
/—диатоксантол; II—диадиноксантол; III—не-
одиадиноксантол; IV—зеаксантол; V—лютеол.
Фиг. 43. Удельные коэффициенты поглощения [136].
I—фукоксантол в гексаие; II—виолаксантол в этаноле. Концент-
рации в граммах на 100 см3.
70
Глава XXI
теми же авторами для живых диатомей, коллоидных экстрактов и
растворов пигментов в органических растворителях, обнаруживают
значительное усиление поглощения in vivo в области 500—560 мц.
Табл. 11 показывает, что полосы поглощения многих каротиноидов
бактерий расположены еще ближе к красной области, нежели по-
лосы поглощения каротиноидов зеленых растений и водорослей. Это
напоминает соотношение между хлорофиллом и бактериохлорофиллом.
300
260
220
180
140
100
60
О 4 8	12 16 20 24 28
Ширина выделяемой спектральной
области, мр.
Фиг. 44. Зависимость удельного коэфициента
поглощения 0-каротииа от ширины выделяемой
спектральной области при определенных дли-
нах волн [130].
Изменения а, наблюдавшиеся Миллером при работе
с монохроматором (черные кружки), не обнаружены при
работе с двойным монохроматором (светлые кружки).
На фиг. 37 и 38 приведены кривые экстинции для трех изомеров
каротина, а на фиг. 39 и 40—для лютеола, самого обычного каро-
тинола зеленых растений (см. также т. I, стр. 417). На фиг. 41 и 42
можно видеть спектры некоторых каротинолов из бурых водорослей,
диатомовых водорослей и жгутиковых из отряда панцырных.
Полосы поглощения у каротиноидов значительно шире, чем у хло-
рофилла, поэтому они менее чувствительны к изменениям ширины
щели, как это показано на фиг. 44.
Теоретические соображения
Каротиноиды относятся к полиеновым красителям, т. е. их цвет
связан с хромофорными свойствами линейно!] Цепи конъюгированных
двойных связей,
Спектры поглощения пигментов in vitro
71
Другими примерами веществ того же типа являются синтетические
полиены и цианиновые красители, применяемые для фотографической
сенсибилизации. С возрастанием длины цепи с конъюгированными
связями полосы поглощения правильно смещаются в сторону длинных
волн и их интенсивность возрастает.
Простая связь между цветом и молекулярной структурой де-
лает полиеновые красители особенно подходящим объектом для
теоретического изучения. Эта проблема рассматривалась Паулингом
[127] и Малликеном [126, 129]. Согласно Паулингу, основные воз-
можности резонанса в полиеновых молекулах обусловлены смещением
двойных связей, которое приводит к переносу электрона.С одного
конца молекулы на другой. Если мы рассмотрим, например, линейную
конъюгированную цепочку А с одним и тем же числом атомов угле-
рода, то смещение всех двойных связей налево даст структуру Б,
а смещение вправо — структуру В:
СН3СН=СНСН ... СНСН=СНСН3	(Д)
+СН3=СНСН=СН ... СН=СНСНСН3	(Б)
СН3СНСН=СН ... СН=СНСН=СН8+	(В)
Каждое из состояний Б и В имеет большой дипольный момент, ио
вследствие того, что оба момента имеют противоположные направле-
ния, а Б и В равновероятны, молекула не будет обнаруживать ди-
польного момента ни в основном, ни в низшем возбужденном состоя-
нии. Однако переходу от основного нормального к возбужденному
состоянию этого типа соответствует «момент перехода» того же по-
рядка величины, что и дипольный момент индивидуальных структур Б
и В. Он очень велик и возрастает с длиной цепи. В квантовой ме-
ханике вероятность спектрального перехода между двумя состояниями,
т. е. интенсивность соответствующей линии поглощения или полосы,
определяется величиной «момента перехода». Именно этим и объяс-
няется, почему полиеновые молекулы имеют интенсивные полосы по-
глощения и почему их интенсивность возрастает с увеличением длины
цепи *.
Вторым подходом к разрешению этой проблемы является теория
«молекулярных орбиталей». Эта теория рассматривает действительное
состояние молекулы без разложения его на воображаемые резонирую-
щие компоненты и пытается связать электроны не с определенными
атомами пли связями, но с определенными ф-функциями (орбиталями)
всей молекулы. В длинной цепи конъюгированных двойных связей
* Автор пользуется здесь реакционной махистской теорией резонанса.
Однако, как видно нз дальнейшего, в этом нет никакой надобности. Отме-
тим, в частности, что упоминаемая в следующем абзаце теория свободных
электронов, находящихся в простом линейном «потенциальном ящике*, легко
объясняет оптические свойства полиеновых красителей, совсем не прибегая
к помощи фиктивных структур. — Прим, ред.
72
Глава XXI
Фиг. 45. Сдвиг первой полосы
поглощения прн увеличении длины
цепи с конъюгированными двой-
ными связями (толщина стрелки
показывает интенсивность).
некоторые из этих орбиталей включают ядра всех атомов цепи и
электроны, связанные с ними, могут рассматриваться как свободно
движущиеся по всей цепи (это эквивалентно «смещению двойных
связей» в теории резонанса). Цепочка конъюгированных двойных свя-
зей в этой теории имеет известное сходство с металлической прово-
локой.
Исследование молекулы при’помощи этой теории состоит в опре-
делении качественных характеристик возможных орбиталей и в оценке
относительных энергий состояний,
полученных путем различного сопо-
ставления электронов с орбиталями.
Рассмотрим, согласно Малли-
кену [126], линейную цепь п атомов
углерода (я — четное число) и п/2
двойных связей (присутствие на
обоих концах этой конъюгирован-
ной цепи симметричных концевых
групп, которые обычно имеются в
случае каротиноидов, не меняет усло-
вий задачи). Эта цепь содержит п
«ненасыщенных орбиталей», охваты-
вающих всю цепь конъюгации, из
них п/2— «связывающих» (т. е.
таких, в которых электроны ста-
билизируют молекулу) и п/2 — «раз-
вязывающих». Каждая орбиталь мо-
жет, как обычно, связывать 2 элек-
ненасыщенных электронов достаточно
что дает сингулетное
этих электронов
из развязывающих орбиталей приводит
трона, так что п возможных
для заполнения /г/2 связанных орбиталей,
нормальное состояние. Перенос какого-либо из
на какую-либо другую
к возбужденному состоянию; существует поэтому /г2,4 групп возбуж-
денного состояния. Каждая группа состоит (вследствие взаимодействия
орбиталей со спинами электронов) из одного триплетного и одного
сингулетного состояния; однако вследствие запрета сингулет-триплет-
ных переходов в легких атомах только я2/4 сингулетных состояний
участвуют в поглощении. Чем длиннее цепь, тем больше возбужден-
ных состояний. Можно показать, что «центр тяжести» этих состояний
на диаграмме энергий остается более или менее без изменений, в то
время как низшие возбужденные состояния смещаются все ближе и
ближе к основному состоянию, по мере того как длина цепи возрас-
тает. Это схематически иллюстрируется фиг. 45. Слева дана диа-
грамма уровней энергии молекулы Д2, на противоположном конце —
то же для бесконечной цепи А ядер; длинноволновые полосы погло-
щения представлены стрелками; они становятся короче и короче, т. е.
поглощение по мере возрастания длины цепи сдвигается все дальше
Спектры поглощения пигментов in vitro	73
и дальше к красной части и, наконец, попадает в инфракрасную об-
ласть.
Мэлликен показал, что если цепь по возможности линейна, т. е.
если все атомы углерода в цепи находятся в транс-положениях, пе-
реход к низшему возбужденному состоянию (стрелка на фиг. 45)
более вероятен, чем все другие вместе взятые переходы. Это означает,
что интенсивность полосы поглощения, соответствующей самой низкой
частоте, должна постоянно возрастать при возрастании длины цепи.
Мы получили, таким образом, теоретическое объяснение постепенного
смещения полосы поглощения к более длинным волнам и возрастания
ее интенсивности с ростом длины цепи.
Два или три отдельных максимума, наблюдаемых в спектрах каро-
тиноидов, могут соответствовать такому же числу отдельных электрон-
ных переходов; однако гораздо правдоподобнее считать, что они со-
ответствуют возбуждению одного или нескольких колебательных
квантов. Расстояние между максимумами (~ 1 500 см~1) по порядку
величины соответствует колебательным квантам органических молекул.
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ФИКОБИЛИНОВ
Спектры поглощения фикобилинов наблюдались в живых водоро-
слях, в водных коллоидных экстрактах хромопротеидов и в органи-
ческих растворах хромофоров. Результаты не вполне отчетливы, так
как и фикоцианин и фикоэритрин, повидимому, встречаются в не-
скольких модификациях, имеющих слегка различную окраску. Эти
модификации могут обусловливаться или небольшими вариациями
в структуре хромофоров, или ассоциацией одного и того же хромо-
фора с разными белками.
Изучение спектров поглощения фикохромопротеидов проводилось
многими исследователями [143—148, 150—152, 154, 155]. Однако
единственные данные по спектрам поглощения изолированных, т. е.
свободных от белков хромофоров,—это данные Лемберга [147]. Он
сообщает следующие длины волн для максимумов полос поглощения:
Цианобилин из Porphyra tenera в	концентрированной	НСГ....... 598 жр
„	„	»	.	.	кислом СНС13 ................ 606	»
Эритробилин „	,	„	„	концентрированной	НС1......... 498 »
Комбинация пигментов с белком дает сдвиг полос в длинноволно-
вую сторону, однако сравнение приведенных выше цифр с положе-
нием максимумов поглощения водных экстрактов из водорослей не
дает соответствующего представления о величине этого сдвига вслед-
ствие того, что данные о свободных пигментах относятся к сильно
кислым растворам, тогда как данные по хромопротеидам получены
для нейтральных или слабо кислых растворов. Главный максимум по-
глощения комплекса фикоцианин—белок лежит у 615 л/р. при pH 3,5—7
И смещается на 41 Л<р- к красному концу (до 656 л/р) в концентри-
74
Глава XXI
рованной соляной кислоте. Сравнивая кислый раствор хромопротеида
с раствором хромофора той же кислотности, мы нашли, что «красное
смещение» равно 58 мр; сравнение с нейтральным раствором хромо-
протеида обнаружило бы сдвиг, равный всего лишь 17 мр.
Аналогичные цифры позднее были даны Вассннком [153] для
цнанобнлнна из сине-зеленой водоросли Oscillatoria (Хмаке = 620 мр
для хромопротенда, 610 мр для раствора цнанобнлина в хлороформе
и 600 мр для его раствора в HCI).
Кривые экстинкции для водных коллоидных растворов хромопро-
тенда были даны в нескольких работах [145, 146, 150, 154, 155].
^На фиг. 46 показаны кривые экстинкции фикоэритринов из пяти
различных :видов водорослей. Во всех случаях были найдены три
максимума (566, 540 и 498 жр), но относительная интенсивность их
450 500 550 600 650 450 500 550 600 650 450 500 550 600 650
Длина волны, мр Длина волны, мр Длина волны, мр
Фиг. 46. Спектры поглощения фикоэритринов различных водорослей [150].
I — Griffithsia; II-Polysiphonia; III—Sebdenitr, IV — Ceramiatn', V—Bornetia.
варьировала, что указывает на существование трех различных форм
пигмента (возможно, что один и тот же хромофор связывается с раз-
ными белками). Ван-Норман и другие [154] нашли только два пика
поглощения (550 и 495 жр) в водном экстракте из Iridaea. Они на-
шли также несколько полос в ультрафиолете.
Аналогичные наблюдения были проведены с фикоцианином. У фико-
цианина из Rhodophycea (например, Ceramium rubrum и Porphyra
tenera) найдены [146] две полосы в видимой области у 615 и 550 мр
и ультрафиолетовые полосы у 355, 271 и 240 мр. Фикоцианин из
СуапорЛусеа (например, Aphanizomenon flos aquae) дал только одну
полосу в видимой области у 615 мр и две в ультрафиолете (368 и
277 жр).
На фиг. 47 представлена кривая экстинкции фикоцианина из
Aphanizomenon flos aquae.
Принимая, по оценке Лемберга, что в хромопротеиде содержится
2% пигмента (молекулярный вес хромофора 636, что соответствует
1 молю пигмента в 3,2 • 10-4 г комплекса), можно перевести удель-
цые коэффициенты экстинкции, данные Лембергом [144, 147] ц Свед«
Спектры поглощения пигментов in vitro
75
бергом и Катсураи [146], в молярные коэффициенты экстинкции. По-
лученные значения (табл. 12) исключительно высоки (до 3 • 10б) по
сравнению с максимумом красной полосы хлорофилла (4 • 104) и
максимумом главной полосы поглощения каротиноидов (1,5 • 10б).
Это заставляет сомневаться в правильности аналитических данных
Лемберга.
Лемберг [147] сам отметил, что удельный коэффициент экстинк-
ции фикобилинов в 10 раз выше, чем у гемоглобина, хотя по
данным его анализа в фикобилинах присутствует только 0,5 моля пиг-
мента на сведберговскую единицу белка, тогда как в гемоглобине на
Длина волны, мр.
Фиг. 47. Спектр поглощения фикоцианина из
Aphanizomenon flos aquae [146].
единицу белка приходится 1 моль пигмента. Если анализ Лемберга
ошибочен и содержание фикобилинов в хромопротеидах столь же высоко
или даже выше, чем содержание гемина и гемоглобина, то молярные
коэффициенты экстинкции фикобилинов, данные в табл. 12, должны
быть пропорционально уменьшены.
Сравнение интенсивности полосы фикоцианина, имеющей максимум
у 615 лер, с полосой хлорофилла, лежащей у 680 мр в спектре по-
глощения живых клеток Oscillatoria. (см. фиг. 71), также заставляет
сомневаться в аналитических данных Лемберга. Согласно Лембергу [144],
содержание хромопротеидов в водорослях (найденное у другого вида
Сегатшт rubrum), имеет порядок О,5°/о при 2% хромофора в ком-
плексе. Это соответствует содержанию в сухом веществе водоросли
всего лишь 0,01°/о фикобилина, тогда как концентрация хлорофилла
в красных водорослях обычно имеет порядок 0,1°/о (см. т. I, табл. 57).
Поэтому преобладание полосы фикоцианина над полосой хлорофилла
на фиг. 71 приводит к неправдоподобному выводу о том, что
молярный коэффициент экстинкции для фикобилинов по меньшей
76
Глава XXI
Таблица 12
МОЛЯРНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭКСТИНКЦИИ ФИКОБИЛИНОВ
(в максимумах полос)
Пигмент	Состояние	X, Лф.	“моль	Ссылка на литературу
	Пигмент в НС1 . . .	495	1,8-105	[144, 147]
Фикоэритрин t)	Хромопротеид из Ceramium . . .	565	2,6 • 105	[146]
	То же		565	2,5 • 105	[144, 147]
	Хромопротеид , из Porphyra . . .	565	2,5 • 105	[144, 147]
	Пигмент в НС1 . . .	598	— 1-105	[144, 147]
	Хромопротеид из Ceramium . . .	615	1,3 • 105	[146]
	То же		615	2,0 • 105	[144, 147]
Фикоцианин	Хромопротеид из Porphyra . . .	615	3,1 • 105	[144, 147]
	Хромопротеид из Aphanizome- . поп		615	2,6 • 105	[146]
*) Спектральные и фотохимические свойства фикоэритрина, выделенного из красных водо-
рослей, были исследованы н работе А. А. Красиовского, В. Б. Евстигнеева, Г. П. Брин и
В. А. Гавриловой (ДАН СССР, 82, 947, 1952). — Прим. ред.
мере в 10, а может быть и в 100 раз выше, чем для хлорофилла,
если только аналитические данные Лемберга не занижены.
Возможно, что слишком низким (~ 2°/0) принято не только содер-
жание хромофора в комплексе, но и содержание хромопротеидов
(— О,5°/о) в водорослях (см. т. I, стр. 420).
ЛИТЕРАТУРА
Спектры поглощения хлорофилла и его дериватов
1.	Willstat ter R., Stoll A., Untersuchungen uber Chlorophyll. Springer, Berlin,
2.	Van Gulik D„ Ann. Physik, 46, 147 (1914).
3.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen ilber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
4.	Metzner P., Ber. deut. botan. Ges., 40, 125 (1922).
5.	Lewkowitsch E., Biochem. J., 22, 777 (1928).
6.	Noack K., Kiessling W., Z. physiol. Chem., 182, 13 (1929).
7.	Noack K., Kiessling W„ Z. physiol. Chem., 193, 97 (1930).
8.	Noack K., Kiessling W., Z. angew. Chem., 44, 93 (1931).
9,	Chosh J. C., Sen-Gupta S. B., J. Indian Chem. Soc., 8, 581 (1931),
Спектры поглощения пигментов in vitro
11
10.	Winterstein A., Stein G„ Z. Physiol. Chem., 220, 263 (1933).
11.	Stair R., Coblentz W. W„ J. Research Natl. Bur. Standards, 11, 703 (1933).
12.	Rudolph H., Planta, 21, 104 (1933).
13.	Prins J. A., Nature, 134, 457 (1934).
14.	Zscheiie F. P., J. phys. Chem., 38, 95 (1934).
15.	Zscheiie F. P., Botan. Qaz., 95, 529 (1934).
16.	Zscheiie F. P., Cold Spring Harbor Symposia Quant. Biol., 3, 108 (1935).
17.	Stern A., Kleine Mitt. Mitglied. Ver. Wasser-, Boden- u. Lufthyg., 11, 47
(1935).
18.	Sprecher von Bernegg A., Heierle E., Almasy F., Blochem. Z., 283, 45,
(1935).
19.	Stern A., Wenderlein H„ Z. physik. Chem., A174, 81 (1935).
20.	Stern A., Wenderlein H„ Z. physik. Chem., A176, 81 (1936).
21.	Stoll A., Naturwissenschaften, 24, 53 (1936).
22.	Hagenbach A., Auerbacher F., Wiedemann E., Helv. Phys. Acta, 9, 3,
(1936).
23.	Stern A., Wenderlein H., Molvig H., Z. physik. Chem., A177, 40 (1936).
24.	Stern A., Molvig H., Z. physik. Chem., M.1S, 161 (1937).
25.	Seybold A., Planta, 26, 712 (1937).
26.	Vermeulen D., Wassink E. C., Reman G. H., Enzymologia, 4, 254 (1937).
27.	French C. S„ J. gener. Physiol., 21, 71 (1937).
28.	Rabinowitch E., Weiss J., Proc. Roy. Soc. London, A162, 251 (1937).
29.	Stein A., Kleine Mitt. Mitglied. Ver. Wasser-, Boden- u. Lufthyg., 14, 39
(1938).
30.	Tiegs E., там же, 14, 34 (1938).
31.	Mackinney G., Plant Physiol., 13, 123 (1938).
32.	Stern A., Z. physik. Chem., A182, 186 (1938).
33.	Seybold A., Egle K., Sitzber. Heidelberg. Akad. Wiss. Math, naturw.
Klasse, № 1, 7 (1939).
34.	Katz E., Wassink E. C., Enzymologia, 7, 97 (1939).
35.	Stern A., Pruckner F., Enzymologia, A185, 140 (1939).
36.	Biermacher O„ Thezis, Univ. Fribourg (Switzerland), 1939.
37.	Egle K., Sitzber. Heidelberg. Ak. Wiss. Math.-Nat. Klasse, № 1, 19 (1939).
38.	Meyer К. P., Helv. Phys. Acta, 12, 349 (1939).
39.	Mackinney G„ J. Biol. Chem., 132, 91 (1940).
40.	French C. S., J. gener. Physiol., 23, 483 (1940).
41.	Fischer H., Stern A., cm. Fischer and Orth, Die Chemie des Pyrrols, Vol. II.
2,	Akad. Verlagsges., Leipzig, 1940.
42.	Mackinney G., J. Biol. Chem., 140, 315 (1941).
43.	Zscheiie F. P., Comar C. L., Botan. Caz., 102, 463 (1941).
44.	Comar C. L„ Zscheiie F. P., Plant. Physiol., 16, 651 (1941).
45.	Albers V. M., Gibson Island A. A. A. S. Simposium on Photosynthesis,
1941 (неопубликовано).
46.	Epstein L. F., Karush F., Rabinowitch E., J. Opt. Soc. Am., 31, 77 (1941).
47.	Strain H. H., Manning W. M., J. Biol. Chem., 144, 625 (1942).
48.	Comar C. L., Zscheiie F. D., Plant Physiol., 17, 198 (1942).
49.	Haskin H. H„ J. Biol. Chem., 144, 149 (1942).
50.	Zscheiie F. P., Comar C. L., Mackinney G., Plant. Physiol., 17, 666 (1942).
51.	Comar C. L., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 14, 877 (1942).
52.	Pruckner F., Z. phyzik. Chem., A190, 101 (1942).
53.	Comar C. L., Benne E. J., Buteyn E. K., Z. physik. Chem., 15, 524 (1943).
54.	Manning W. M., Strain H. H., J. Biol. Chem., 151, 1 (1943).
55.	Harris D. G„ Zscheiie F. P., Botan. Gaz., 104, 515 (1943).
56.	Aronoff S., Calvin M., J. Org. Chem., 8, 205 (1943).
57.	Calvin M., Ball R. H., Aronoff S., J. Am. Chem. Soc., 65, 2259 (1943).
58.	Lewis G. N., Bigeleisen J., там же, 65, 1144 (1943).
59.	Zscheiie F. P., Comar C. L., Harris D. G., Plant Physiol., 19, 627 (1944).
78
ГлаЬа XXI
60.	Rabinowltch Е., Rev. Modern Phys., 16, 226 (1944).
61.	Wassink E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 12, 3 (1946).
62.	Erdman J. G., Corwin A. H., J. Am. Chem. Soc., 68, 1885 (1946).
63.	McBrady J., Livingston R., J. phys. & colloid. Chem., 52, 662 (1948).
64.	Koski V. M., Smith J. H. C„ J. Am. Chem. Soc., 70, 3558 (1948).
65.	Livingston R. et al., First Annual Report on ONR Project 059028 (1948).
66.	Livingston R., cm. Photosynthesis in Plants, Iowa State College Press, Ames,
1949, p. p. 179—196.
67.	Kuhn H., J. chem. Physics, 17, 1198 (1949).
68.	Simpson W. T., там же, 17, 1218 (1949).
69.	Platt J. R„ J. chem. Physics, 18, 1168 (1950).
70.	Longuet-Hlggins H. C., Rector C. W., Platt J. R„ там же, 18, 1174 (1950).
71.	Tanada T., Am. J. Botany, 38, 276 (1951).
Влияние среды на спектры поглощения хлорофилла
и бактериохлорофилла
72.	Hagenbach A., Ann. Phys. (Poggendorf), 141, 245 (1870).
73.	Gerland E., Ann. Phys. (Poggendorf), 143, 585 (1871).
74.	Kundt A., Ann. Phys. (Wiedemann), 4, 34 (1878).
75.	Ивановский Д. И., Ber. deut. botan. Ges., 25, 416 (1907).
76.	Herlitzka A., Biochem. Z., 38, 321 (1912).
77.	Ивановский Д. И., Ber. deut. botan. Ges., 31, 600 (1913).
78.	Ивановский Д. И., Biochem. Z., 48, 328 (1913).
79.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen fiber die Assimilation des Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
80.	Eisler M., Portheim L., Biochem. Z„ 130, 497 (1922).
81.	Noack K., Biochem. Z., 183, 135 (1927).
82.	Padoa M„ Vita N., Biochem. Z., 244, 296 (1932).
83.	Baas-Becking L. G. M., Koning H. C., Proc. Acad. Sc. Amsterdam, 37,
674 (1934).
84.	Hubert B., Rec. trav. botan. neerland., 32, 323 (1935).
85.	Wakkie J. G., Proc. Acad. Set. Amsterdam, 38, 1082 (1935).
86.	Rabinowltch E., Weiss J., Proc. Roy. Soc. London,. A162, 251 (1937).
87.	Smith E. L., Science, 88, 170 (1938).
88.	Mackinn ey G., Plant Physiol., 13, 427 (1938).
89.	Katz E., Wassink E. C., Enzymologia, 1, 97 (1939).
90.	Biermacher O., Thesis, Univ. Fribourg (Switzerland), 1939.
91.	Egle K., Sitzber. Heidelberg. Ak. Wiss. Math.-nat. Klasse, № 1, 19 (1939).
92.	Meyer К. P., Helv. Phys. Acta, 12, 349 (1939).
93.	Mackinney G., Plant Physiol., 15, 359 (1940).
94.	French C. S., J. getter. Physiol., 23, 483 (1940).
95.	Fischer H., Stern A., cm. Fischer and Orth, Die Chemie des Pyrrols,
Vol. II. 2, Akad. Verlagsges., Leipzig, 1940.
96.	Pruckner F., Z. physik. Chem., A187, 257 (1940).
97.	Seybold A., Egle K., Botan. Arch., 41, 578 (1940).
98.	Smith E. L., J. gener. Physiol., 24, 565 (1941).
99.	Albers V. M., Gibson Island A. A. A. S. Symposium on Photosynthesis,
1941 (неопубликовано).
100.	Seybold A.. Weissweiler A., Botan. Arch., 43, 252 (1942).
101.	Hairis D. G., Zscheile F. P., Botan. Gaz., 104, 515 (1943).
102.	Rabideau G. S., Flench C. S., Holt A. S„ Am. J. Bot., 83, 769 (1946).
103.	Livingston R. et al., First Annual Report on ONR Project 059028 (1948).
104.	Livingston R. et al., Second Annual Report on ONR Project 059028
(1949).
105.	Livingston R., Watson W. F., McArdle J., J. Am. Chem. Soc., 71, 1542
(1949).
Спектры поглощения пигментов in vitro
•ft
106.	Евстигнеев В. В., Гаврилова В. А., Красновский А. А., ДАН СССР, 66,
1133 (1949).
107.	Евстигнеев В. В., Гаврилова В. А., Красновский А. А., ДАН СССР, 70,
261 (1949).
108.	Красновский А. А., Брин Г. П., Войновская К. К., ДАН СССР, 69, 393
(1949).
Спектры поглощения каротиноидов
109.	Willstatter R„ Stoll A., Untersuchungen fiber Chlorophyll, Springer, Berlin,
1913.
110.	Pummerer R„ Rebmann L., Ber. deut. chem. Ges., 61, 1099 (1928).
111.	Kuhn H., Winterstein A., Kaufmann W., Ber. deut. chem. Ges., 63, 1489
(1930).
112.	McNicholas H. J., J. Research Natl. Bur. Standards, 7, 171 (1931).
113.	Kuhn R., Biockmann H., Z. physiol. Chem., 206, 41 (1932).
114.	Von Euler H., Karrer P., Klussman E„ Mort R., Helv. Chim. Acta, 15,
502 (1932).
115.	Kuhn R., Brockmann H., Ber. deut. chem. Ges., 66, 407 (1933).
116.	Rudolph H., Planta. 21, 104 (1933).
117.	Stair R., Coblentz W. W., J. Research Natl. Bur. Standards, 11, 703
(1933).
118.	Smakula A., Angew. Chem., 47, 657 (1934).
119.	Gillam A. E„ Biochem J., 29, 1831 (1935).
120.	Karrer P„ Solmssen U., Helv. Chim. Acta, 18, 1306 (1935).
121.	Sprecher von Bernegg A. S., Heierle E., Almasy F., Blochem. Z., 283, 45
(1935).
122.	Miller E. S., Botan. Gaz., 96, 447 (1935).
123.	Miller E. S„ Plant Physiol., 12, 667 (1937).
124.	Karrer P., Strauss W., Helv. Chim. Acta., 21, 1624 (1938).
125.	Strain H. H., Leaf Xanthophylls, Carnegie Inst. Wash. Publ., № 490
(1938).
126.	Mulliken R. S„ J. chem. Phys., 7, 121, 364, 570 (1939).
127.	Pauling L„ Proc. Nat. Acad. Sc., 25, 577 (1939).
128.	French C. S., Botan. Gaz., 102, 406 (1940).
129.	Mulliken R. S., Rieke C. A., Phys. Soc. of London, Reports on Progress
in Physics, 8, 231 (1941).
130.	Zecheile F. P„ White J. W., Beadle B. W., Roach J. R., Plant Phystol.,
17, 331 (1942).
131.	Beadle B. W., Zscheile F. P., J. Biol. Chem., 144, 21 (1942).
132.	Wald G., 1942 (неопубликоваио).
133.	Strain H. H., Manning W. M., J. Am. Chem. Soc., 64, 1235 (1942).
134.	Strain H. H., Manning W. M., J. Am, Chem. Soc., 65, 2258 (1943).
135.	Strain H. H., Manning W. M., Carnegie Inst. Wash. Yearbook, 42, 79
(1943).
136.	Karrer P., Wiirgler E., Helv. Chim. Acta, 26, 116 (1943).
137.	Strain H. H., Manning W. M., Hardin G., Biol. Bull., 86, 169 (1944).
138.	Zechmelster L., Chem. Revs., 34, 267 (1944).
139.	Nash H. A., Zscheile F. P., Arch. Biochem., 5, 77 (1944).
140.	Nash H. A., Zscheile F. P., Arch. Biochem., 7, 3(6 (1945).
141.	Wasslnk E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 12, 3 (1946).
142.	Karrer P., Jucker E., Carotinoide, Birkhauser, Basel, 1948.
Спектры поглощения фикобилинов
143.	Schutt F., Ber. deut. botan. Ges., 6, 36, 305 (1888).
144.	Lemberg R., Ann. Chem. (Liebig's), 461, 46 (1928).
145.	Svedberg T., Lewis N. B., J. Am. Chem. Soc., 50, 525 (1928).
80
Слаба XXi
146.	Svedberg T., Katsura! T., J. Am. Chem. Soc., 51, 3573 (1929).
147.	Lemberg R„ Biochem. Z., 219, 255 (1930).
148.	Dh6re С. C., Fontaine M., Compt. rend., 192, 1131 (1931).
149.	Dher6 C., Fontaine M., Ann. inst. oceanog., 10, 245 (1931).
150.	Svedberg T., Eriksson 1. B., J. Am. Chem. Soc., 54, 3998 (1932).
151.	Roche J., Arch. phys. blol., 10, 91 (1933).
152.	Katz E„ Wassink E. C., Enzymologia, 7, 97 (1939).
153.	Wassink E. C., Enzymologia, 12, 362 (1948).
154.	Van Norman R. W., French C. S., Macdowall F. D. H., Plant Physiol.,
23, 455 (1948).
155.	French C. S., Proc. Soc. Exptl., Biol., 1951 (в печати).
Глава XXII
ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА ПИГМЕНТАМИ
В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ
Определение поглощения света в растворах или других гомоген-
ных средах является хорошо известной операцией, результаты кото-
рой допускают простое, основанное на законе Бэра истолкование и
выражаются в молекулярных коэффициентах поглощения, называемых
также коэффициентами экстинкции (попытки придать различный смысл
этим терминам не имели успеха на практике). Экспериментальное
определение поглощательной способности растений является менее
простым, и часто точный смысл результатов проблематичен. Измере-
ния световой энергии, поглощенной листьями, водорослями или сус-
пензиями клеток, осложняются рассеянием, которое имеет место не
только в тканях, но даже и в суспензиях отдельных клеток, потому
что размеры клеток (~ 10~3 см) больше, чем длина волны видимого
света (~5-10~б см). Выражение результатов в терминах констант
поглощения пигментов усложняется не только рассеянием света на
границах фаз, но и неоднородным распределением пигментов в клет-
ках и тканях, а также смещением и деформацией полос поглощения
вследствие адсорбции и образования комплексов. Пусть, например,
мы измерили энергию I пучка света, падающего на растительный
объект (лист, слоевище или суспензию клеток), и энергию Г пучка,
выходящего из этого объекта, приняв меры к тому, чтобы суммиро-
вать выходящий пучок по всем направлениям, с учетом не только
света, проходящего вперед (Г), но и отраженного назад (/?); это по-
зволит избежать грубых ошибок, которые может внести рассеяние.
Если теперь мы попытаемся применить к полученным результатам
закон Бэра
/' = (7'4-/?) = /. 10-«cd	(22.1)
с целью вычислить коэффициент поглощения а, то мы прежде всего
найдем, что наличие рассеяния делает неопределенным длину пути
света в поглощающем веществе, т. е. величину d в формуле (22.1)
(даже усредненная величина d не постоянна, но зависит от длины
волны; см. Кок [47]). Затем мы заметим, что неравномерное распре-
деление пигментов в хлоропластах делает концентрацию поглощаю-
щих молекул на пути каждого отдельного светового пучка [с в урав-
нении (22.1)] переменной величиной; некоторые пучки пройдут между
хлоропластами и вовсе не встретятся с молекулами пигмента — явле-
ние, которое мы будем называть «эффектом проскока». Если, нако-
6 Зак. 4040. Е. Рабинович
82
Г лаба XXII
нец, преодолев обе эти трудности, мы получим некое достоверное
значение а, то это будет все же лишь средним коэффициентом по-
глощения смеси нескольких пигментов. Их спектры поглощения
в растворах могут быть нам известны, однако в живой клетке по-
лосы их поглощения могут быть по-разному смещены и деформиро-
ваны вследствие адсорбции и образования комплексов. Рассчитать,
какое поглощение для данной длины волны приходится на долю каж-
дого компонента в смеси пигментов, в большинстве случаев невоз-
можно, если только не делать грубых упрощений (такой расчет тре-
бует знания их индивидуальных коэффициентов поглощения и распре-
деления пигментов в клетке).
Ниже мы ознакомимся с определением количества световой энер-
гии, поглощенной растениями, а затем со спектральными свойствами
отдельных пигментов и долей их участия в общем поглощении.
ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА РАСТЕНИЯМИ
Общие замечания
Если мы имеем дело с растворами в плоскопараллельных стеклян-
ных кюветах, определение поглощенной энергии света, А, требует
двух измерений; либо измеряют падающий световой поток, /, и про-
пущенный поток, Т, либо, чаще, сравнивают поток Т с потоком То,
проходящим через кювету, содержащую чистый растворитель. При
этом А вычисляется по одной из следующих формул:
A — I—T	(22.2а)
или
А = Т0— Т.	(22.26)
И тот, и другой способ являются лишь первым приближением. В урав-*
нении (22,2а) совершенно не учитываются отражения; следующее
приближение можно в этом случае получить, вычитая из / световой
поток, отраженный от передней стенки абсорбционной кюветы:
А = /(1—г)—Т,	(22.3)
где г — коэффициент отражения вещества кюветы. Однако отражение
от передней стенки есть только часть полного отражения в кювете,
и для полной точности мы должны вместо (22.3) написать
A — I— Т— R,	(22.4)
подразумевая под R весь отраженный поток. Уравнение (22.2б) можно
считать лучшим первым приближением, чем (22.2а), так как в нем
не учитывается лишь разница между отражениями от кюветы, на-
полненной раствором, и кюветы с растворителем. Поток, отраженный
от передних стенок обеих кювет, одинаков. Однако отражения от
задних стенок различны (вследствие ослабления, которое свет испы-
тывает при прохождении через поглощающую среду). Второе прибли-
Поглощение света пигментами В живои клетке
83
жение можно получить, если уравнение (22.26) заменить следующим:
А=Т0— 7'+/(1 — r)[r(l — 10~2’d)],	(22.5)
где а — коэффициент поглощения раствора, d—толщина кюветы.
В этом уравнении приняты во внимание одно отражение от передней
стенки (множитель (1—г)] и одно отражение от задней стенки (мно-
житель в квадратных скобках). Однако эти отражения только первые
члены в бесконечном ряду, который можно получить, например,
в зеркалах, поставленных друг против друга. Точная формула для А
дается в следующем виде:
Л = (Т0—Т)4-(7?О—/?),	(22.6)
где Ro и R— полные световые потоки, отраженные от пустой кю-
веты и кюветы с раствором.
Если а и г известны, то точные значения То, Т, Ro и R могут
быть получены при суммировании бесконечного степенного ряда.
Если свет, «пойманный» между стенками кюветы, выходит из нее
после нечетного числа отражений, то он добавляется к прошедшему
свету; если он выходит после четного числа отражений, он склады-
вается с отраженным светом. Следовательно, в ряду для Т будут со-
держаться только четные степени г и нечетные степени 10~ad,
а в ряду для R — только нечетные степени г и четные степени 10-ябг
(отношение суммы Т и То дается уравнением (22.12)).
Если а и г неизвестны, R и Ro должны определяться из опыта.
Повторные отражения удлиняют среднюю длину пути света
в абсорбционной кювете и, следовательно, увеличивают поглощение.
Для гомогенных растворов в плоскопараллельных стеклянных кюве-
тах это возрастание составляет лишь ничтожную поправку (см.
стр. 120); мы упомянули об этом лишь для того, чтобы показать,
как усложняется измерение поглощения света, если в системе имеются
границы фаз. В негомогенных системах усложнения в принципе ана-
логичны рассмотренному выше, но в количественном отношении
играют гораздо большую роль. Не только число отражений больше,
но и отражения более интенсивны вследствие разных углов, под ко-
торыми свет встречает различные поверхности. Кроме отражений, до-
бавляются также преломления и полные внутренние отражения, кото-
рые, в свою очередь, влияют на длину пути светового луча и напра-
вление, в котором луч может выйти из среды.
Листья наземных растений и слоевища водорослей являются не-
однородными системами с огромным числом поверхностей раздела
между воздушными каналами, стенками клеток, цитоплазмой, вакуо-
лями, пластидами и зернами крахмала; прохождение света через рас-
тения или органы растений представляет собой очень сложное явле-
ние. Этот вопрос неоднократно обсуждался во многих работах [17,
28—36, 40, 41, 44, 48], но это обсуждение не выходило сколько-
нибудь существенно за пределы качественного рассмотрения.
6*
84
Г лав а ХХ11
Статистическая теория этого вопроса (см. стр. 121) позволяет
вычислить А из измерений пропускания света в одном направлении,
при двух или более оптических плотностях рассеивающего материала,
т. е. с серией из нескольких листьев или с несколькими суспен-
зиями клеток разной концентрации или толщины слоя. Лучше,
однако, не обращаясь к этим теоретическим выражениям, особенно
в случае работы с листьями или слоевищами, действительно измерять
световые потоки, пропущенные и отраженные по всем направлениям.
Определив экспериментально Т и R, можно использовать точное урав-
нение (22.4) для оценки А. Теоретические уравнения с учетом по-
глощения и рассеяния целесообразно использовать в тех случаях, когда
не удовлетворяются знанием количества поглощенной энергии, но
желают также знать коэффициенты поглощения, например как пока-
затели молекулярного состояния пигмента в живой клетке.
Делались попытки применить метод сравнительных образцов, ис-
пользуя, например, бесцветные части пестрых листьев [8, 9, 13, 29,
30, 32, 35, 40] или слоевища водорослей, из которых при помощи
экстракции удалялись пигменты [6] или ткани, обесцвеченные дли-
тельным воздействием света [20], чтобы имитировать таким образом
метод, обычно применяемый в случае прозрачных сред. В этом послед-
нем случае кювета с растворителем обеспечивает автоматическую по-
правку на отражение (см. стр. 82); при работе с растениями об-
разцы, лишенные пигмента, должны давать также поправку и на рас-
сеяние. Однако приближенная формула (22.25), которая, вообще
говоря, справедлива для прозрачных сред, может давать совершенно
ошибочные результаты в случае негомогенных систем. Это было ука-
зано Вильштеттером и Штолем [17] и Варбургом [25] в связи с кри-
тикой вычислений поглощения, произведенных Вейгертом [13]. Ошибка
была связана с большой разницей в величине потоков R и Ro (см.
уравнение (22.6)), отраженных от зеленого и обесцвеченного листа.
Зеленый лист может пропустить около Ю°/о и отразить приблизи-
тельно 10% падающего белого света, тогда как лист, подобный
первому, но лишенный пигмента, пропускает 50% и отражает осталь-
ные 50%. Если поглощение зеленого листа вычислить по этим циф-
рам при помощи уравнения (22.25), то мы получим 40%, т. е. только
половину истинного значения (80%)!
Поэтому если мы хотим определить поглощение путем сравнения
зеленого листа с листом, лишенным пигмента, то нужно воспользо-
ваться полным уравнением (22.6), т. е. измерить четыре величины:
То, Ro, Т и R, тогда как для тех же определений с отдельным листом
по уравнению (22.4) достаточно измерения только трех величин: /, Т
и R. Далее, в работе с растениями никогда нельзя быть уверенным,
что япустые “ места действительно лишены пигментов. По данным
Зейбольда с сотрудниками [29, 30, 32], так называемые «белые»
листья Acer negundo поглощают 10—20% падающего на них белого
света. Это поглощение может обусловливаться либо пигментами, не
Поглощение света пигментами в живой клетке
85
находящимися в пластидах, либо малыми количествами остаточного
хлорофилла или каротиноидов.
Пропущенный (Г) и отраженный (R) световые потоки могут содержать
направленные компоненты Ts или Rs> соответствующие свету, про-
шедшему в направлении падающего пучка или отраженному по за-
кону зеркального отражения, и диффузные компоненты Td или Rd,
так что уравнение (22.4) можно представить более явно в следую-
щем виде:
^ = /-(Te+Td)-(Re + Rd).	(22.7)
Измерения Т и R должны охватывать и направленные, и диффузные
компоненты.
Если лист достаточно толст и не блестящ, то он ведет себя, как
идеальное рассеивающее тело, т. е. интенсивность света, рассеянного
Фи а. 48. Угловое распределение света, ирону-
щенногои отраженного листом Coleus blumei [41].
Отражение диффузно, и кривая следует закону косинуса;
пропускание лишь отчасти диффузио, и поэтому кривая откло-
няется от закона косинуса. Z —косинусоида; //—отражение;
III—пропускание.
в данном направлении, пропорциональна косинусу угла, составляемого
этим направлением с направлением падающего света. На фиг. 48
представлен график углового распределения света, рассеянного
сравнительно тонким листом Coleus. Этот лист пропускает немного
параллельного света (что видно по отклонению углового распределе-
ния от кривой закона косинуса), но отражение его вполне диф-
фузно. Более толстые листья с такими же матовыми поверхностями
подчиняются закону косинуса в отраженном и в пропущенном свете.
Толстые листья с блестящими поверхностями могут давать вполне
диффузное пропускание, но заметную зеркальную компоненту в отра-
женном свете.
На фиг. 49 представлено рассеяние света вперед и назад от сус-
пензии клеток Chlorella, помещенной в небольшом сосуде, по наблю-
86
Глава XXII
дениям Ноддака и Эйхгофа [39]. Резкий пик С при 180° соответ-
ствует зеркальному отражению от стеклянной стенки сосуда.
Фиг. 49. Рассеяние света густой взвесью Chlo-
rella в сосуде О [39].
Направление луча А -> В; отрезок а изображает обратное
рассеяние, или отражение, /?; отрезок b—прямое рассеяние,
или пропускание, Т.
На практике мы часто можем пренебречь различиями между Т и R
и измерять полный рассеянный поток 5 =	при помощи ка-
кого-либо интегрирующего устройства:
А = 1— S.	(22.8)
Пример можно найти в работе Рабидо, Френча и Хольта [45], посвя-
щенной спектрам поглощения листьев и экстрагированных пигментов.
Среднее пропускание и отражение листьев и водорослей
в белом свете. Приспособление к интенсивности света
и движение хлоропластов
Первые измерения доли белого света, пропускаемой листьями,
принадлежат Саксу [2] и относятся к 1861 г. Позднее эта величина
измерялась в ряде работ [7, 8, 15, 29—32, 34, 41, 46, 48]. Про-
пускание водорослей исследовалось Рейнке [6], Вюрмзером [20] и
Зейбольдом с сотрудниками [35, 43].
Измерения отражения от листьев были сделаны в работах [14,
24, 27, 29, 30, 32, 34, 41, 43, 44, 48]. Единственные данные по
отражению водорослей можно найти в работах Зейбольда с сотруд-
никами [35, 43, 44].
Браун и Эскомб [9] и Пуриевич [15] нашли сравнительно высокие
цифры, порядка 2О°/о, для пропускания белого света (без инфра-
красного) листьями. Зейбольд [29] полагает, что в этих результатах
имеется погрешность, связанная с включением в измеряемый пропу-
Поглощение света пигментами в живой клетке
87
щенный поток теплового излучения самих листьев. В согласии с По-
кровским [24], Зейбольд нашел, что средний вполне зеленый лист
пропускает не более 1О°/о белого света (без инфракрасного). В даль-
ней красной и ближней инфракрасной областях листья почти про-
зрачны (см. фиг. 77 и 78). Поэтому значения пропускания, полу-
ченные при помощи термостолбиков или приборов, чувствительных
к инфракрасному излучению, будут заметно больше, если свет, ис-
пользованный для измерений, содержит значительную долю инфра-
красного излучения. Согласно Лумису и его сотрудником [41, 48],
средний лист пропускает 30°/о всего солнечного света, включая ин-
фракрасный. С искусственными источниками света более низкой тем-
пературы полное пропускание может оказаться значительно большим.
Селеновый фотоэлемент с запирающим слоем, вследствие его низкой
чувствительности в инфракрасной и крайней красной областях, пока-
зывает на прямом солнечном свету пропускание всего лишь в 5—10%,
в зависимости от толщины листа [29, 38].
Поглощение света листом зависит от его толщины и концентра-
ции пигментов. Как упоминалось выше, вполне зеленые листья про-
пускают и отражают только 10 или 15% падающего видимого света
и поглощают 85—90°/о. С другой стороны, зеленая кожица лука,
толщиной в одну клетку, пропускает 85%, отражает 10% и погло-
щает менее, чем 5% (Зейбольд [30]). В гл. XV (т. I) мы описывали
приспособление растений к различной интенсивности и составу па-
дающего света. Мы нашли, что содержание пигмента у типичных
«теневых» растений в 2 или в 3 раза больше, чем у типичных «све-
товых» растений. Вероятное назначение этого «приспособления к ин-
тенсивности» состоит в обеспечении соответствующим количеством
энергии растений, которые растут в тени, или водорослей, живущих
в глубине моря, и, наоборот, в предохранении от переоблучения рас-
тений или водорослей, находящихся на прямом солнечном свету.
Нет сомнения, что присутствие фукоксантола или фикобилинов
в бурых, красных и синих водорослях оказывает значительное влия-
ние на количество поглощенного света; на этом мы подробно остановимся
ниже. Изменения в концентрации хлорофилла влияют гораздо меньше.
Даже светлозеленые растения поглощают такую большую долю падающего
света, что повышение концентрации хлорофилла вдвое увеличило бы их
поглощение лишь незначительно. На наших фигурах можно найти три
соответствующих примера: фиг. 50 показывает лишь очень слабое
усиление поглощения света теневыми листьями бука по сравнению
с находящимися на солнце листьями того же вида, хотя первые со-
держат на 50% больше хлорофилла и на 80% больше каротиноидов
чем вторые. Две нижние кривые на фиг. 61 свидетельствуют о не-
сколько большей разнице между кривыми спектрального пропускания
у темнозеленых и у светлозеленых листьев Hibiscus. Наконец, фиг. 57
иллюстрирует влияние крайних отклонений в содержании хлорофилла,
встречающихся, например, в желтых листьях. Содержание хлорофилла
88
Глааа ХХП
в этих листьях не превышает нескольких процентов от обычной его
концентрации (см. т. I, табл. 57). И, тем не менее, оно обеспечивает
2/3 или 9/10 нормального поглощения в области 520—700 мц.
Многие растения обладают способностью изменять поглощение
света без изменения концентрации пигментов, путем перемещения
Ф и г. 50. Спектры поглощения-теневого и солнечного
листа Fagtis sylvatica [44].
Z—теневой лист; II—солнечный лист. Теневой лист содержит на бО^'о
больше хлорофилла и иа 83Pj0 больше каротиноидов.
или переориентации хлоропластов. Эти «тактические» реакции, от-
крытые в 1856 г. Бёмом [1], были исследованы многими авторами
[3, К)—12, 16, 19, 21, 33 и др.]. Было установлено, что каждый
хлоропласт движется независимо, т. е. он не переносится потоком
протоплазмы. При умеренном освещении хлоропласты собираются на
Эпистрофия Апострофия Антистрофия Диастрофия Парастрофия
Фиг. 51. Схематическое изображение различных ориентаций хлоропла-
стов [23]. Стрелки указывают направление падения света.
освещенных передних стенках клетки и ориентируются таким обра-
зом, чтобы подставить свету свое наибольшее сечение (антистрофия, эпи-
строфия и диастрофия на фиг. 51); в первом случае — при освещении
с одной стороны, в двух других — с обеих сторон). На сильном же
прямом свету хлоропласты поворачивают свои оси параллельно све-
товому потоку и выстраиваются вдоль боковых стенок клетки (пара-
Поглощение света пигментами в живой клетке
89
строфия на фиг. 51). Ночью хлоропласты часто принимают характер-
ные «ночные положения», группируясь около ядра, распределяясь по
всей цитоплазме или располагаясь около внутренних стенок (апостро-
фия на фиг. 51). Наибольшие изменения в движениях хлоропластов
наблюдались Сенном у зеленых, бурых и диатомовых водорослей.
В клетках паренхимы листа хлоропласты принимают положения, ана-
логичные показанным на фиг. 51, в палисадной же ткани они обычно
сохраняют свое расположение вдоль боковых стенок, оставляя конце-
вые стенки свободными. Вместо передвижения эти хлоропласты просто
меняют свою форму. На сильном рассеянном свету хлоропласты
плоско растягиваются по стенкам, тогда как на слабом свету они
вытягиваются в цитоплазму, не теряя контакта со стенками. Освеще-
ние сильным параллельным светом может, однако, привести и в этих
клетках к положению антистрофии.
Очевидно, что положение парастрофии ведет к уменьшению,
а эпистрофии, антистрофии или диастрофии — к возрастанию погло-
щения света. Насколько успешно это осуществляется, показывает
фиг. 54, на которой представлено, как клетки Funaria меняют свой
вид при переходе от эпистрофии к апострофии.
Различия в пропускании листьев при освещении светом различной
интенсивности, связанные с перегруппировкой хлоропластов, впервые
наблюдались Детлефсоном [7] и Шталем [3, 12]. Количественное изу-
чение этого явления было осуществлено Шандерлем и Кемпфер-
том [31]; типичные результаты показаны в табл. 13. Из таблицы видно,
что в сине-фиолетовом свете увеличение пропускания может дости-
гать !/з (от 19 до 25%).
Таблица 13
ПРОПУСКАНИЕ ЛИСТА ADIANTUM CUNEATUM, “о
(по Шандерлю и Кемпферту [31])
Условия опыта	белый свет (включая инфракрасный)	Пропускание		Фиолетовый и синий
		красный и инфракрасный	желтый и зеленый	
В диффузном комнат- ном свете 		31	34	16	19
После 4-часовой экспо- зиции на солнце . . .	37	42	18	25
Шандерль и Кемпферт после первого получаса освещения наблю-
дали у некоторых растений (например, у Tradescantia viridis) обратное
явление (фиг. 52); они приписывают его увеличению рассеяния вслед-
ствие образования зерен крахмала.
Шандерль и Кемпферт не доказали, что большая прозрачность
листьев, находящихся на солнечном свету, связана только с переорисн-
90
Г лае a XXII
тайней хлоропластов, а не с каким-нибудь другим явлением, например
с частичным выцветанием пигментов. Однако Вильштеттер и Штоль [17]
нашли, что концентрация хлорофилла остается без изменения даже
после сильного освещения (см. т. I, гл. XIX, стр. 557), и это сви-
Ф и г. 52. Изменения в про-
пускании света листьями
Tradescantia virldis вслед-
ствие ориентации хлоропла-
стов и образования крахма-
ла [31].
/—-зеленый свет плюс желтый;
//—фиолетовый свет плюс синий;
///—красный свет плюс инфра-
красный; IV—белый свет.
детельствует против второго объяснения.
Фототаксис хлоропластов вызывается
главным образом .сине-фиолетовым светом
и совершенно отсутствует на красном свету
(фиг. 53). Поэтому он должен обусловли-
ваться сенсибилизацией каротиноидов, а не
хлорофилла. Пока еще не имеется доказа-
тельств, что все явление не связано с
фотосинтезом, так как в излучении есте-
ственных источников светй всегда присут-
ствуют и красные, и синие лучи.
Детлефсон [7] и Пуриевич [15] нашли,
что прозрачность листьев уменьшается
в присутствии СО2, однако Уршпрунг [18]
не подтвердил этих результатов *. Этот
эффект, если он действительно существует,
нужно приписать нарастающему образова-
нию крахмальных зерен.
Рассеяние света в листьях можно умень-
шить путем введения воды в межклетники,
например, при откачке под водой (фиг. 55
и 56). Согласно Зейбольду [34], инфиль-
трированные водой листья наземных расте-
ний, так же как и водяных растений типа
Elodea, пропускают вдвое больше по
сравнению с обычными, наполненными воз-
духом. По данным Зейбольда [29, 30],
например, инфильтрованный водой лист
Potomageton aplinus пропускал 22°/0 бе-
лого света; аналогичные величины пропу-
скания Зейбольд получил для зеленых,
бурых и красных водорослей. Усиление
прозрачности листьев или слоевищ, ин-
фильтрированных водой, связано скорее
с уменьшением диффузного отражения (5°/0 вместо > 1О°/о), чем
с уменьшением поглощения. В первом приближении можно считать,
что обычный лист наземного растения в среднем пропускает 1О°/о
белого света (400—700 мр, без инфракрасного), отражает 1О°/о и по-
* Л. Н. Бэлл (ДЛЯ СССР, н. сер., 88, № 3, стр. 477—480, 1952) также
показал, что эффект находится в зависимости от наличия или отсут-
ствия СОг в атмосфере, окружающей лист.
Поглощение света пигментами в живой клетке
91
глощает 80%; водяные растения или слоевища водорослей отражают
5%, пропускают 15% и поглощают 8О°/о.
Лумис [46] исследовал листья 28 видов и нашел, что пропускание
(так же как и отражение) составляет 2—9%. Желтые листья табака
пропускают около 30% видимого света, а светложелтые листья — 36%
видимого и 53% всего солнечного света. Нормальные листья табака
и дуба пропускают 5—7% видимого и 25—30% всего солнечного
света.
По данным Зейбольда, отдельный хлоропласт пропускает от 30
до 60% видимого света (в зависимости от спектрального распределения
Ф и г. 53. Ориентация хлоропластов Funaria [33] при
освещении светом различных спектральных областей.
/—синий свет; И—сине-зеленый; ///-желто-зеленый; IV— красный свет.
энергии светопотока), поглощает от 30 до 60% и отражает при-
мерно Ю%. В гл. XIX (т. I) упоминалось, что средний лист эквива-
лентен 5—10 полным слоям хлоропластов. Эти значения вполне объяс-
няют приводимые выше величины поглощения (80% падающего белого
света).
Более полное рассмотрение вопроса о поглощении света в после-
довательных слоях молекул хлорофилла или пластид можно найти
у Зейбольда и Вейссвейлера [44].
В правильно расположенных системах окрашенных и бесцветных
материалов поглощение иногда зависит от угла падения. В этом случае
поглощение диффузного света может отличаться от поглощения парал-
лельного пучка. Зейбольд [67] пытался обнаружить этот эффект
в листьях, но безуспешно. Причина неудачи лежит, может быть, в том,
что листья очень сильно рассеивают и параллельный пучок практи-
чески становится вполне диффузным задолго до того, как он выходит
из листа.
92
Глава XXII
Поглощение непластидных пигментов
Если определено полное поглощение света в листе, слоевище или
суспензии клеток, то возникает вопрос, какая же часть этого погло-
щения приходится на долю пигментов, находящихся в хлоропластах.
Многие авторы (начиная с Рейнке в 1886 г. [6]) допускали, что опре-
деленная часть поглощения белого света в растениях приходится на
долю бесцветных частей тканей — цитоплазмы, клеточного сока, зерен
крахмала и целлюлозы. Зейбольд произвольно отнес */8 часть полного
поглощения на долю поглощения этих компонентов и 7/8 приписал
пигментам хлоропластов. Кривая поглощения бесцветного листа герани,
данная Зейбольдом и Вейссвейлером [43], показывает значительное
поглощение вблизи сине-фиолетового конца видимого спектра. Не-
сомненно, что истинно бесцветные вещества не могут поглощать
видимый свет. Однако растительные клетки содержат окрашенные
вещества, связанные с оболочками клеток или с клеточным соком, а не
с пластидами; к ним относятся флавоны, таннины и т. п. Некоторые
из этих веществ слабо окрашены и обычно имеют желтый цвет,
другие, хотя и имеют интенсивную окраску, присутствуют в очень
малых концентрациях по сравнению с пигментами пластид. У некото-
рых видов, однако, флавоны и антоцианины присутствуют в таком
количестве, что придают листьям яркокрасный цвет (листья красных
разновидностей и молодые листья многих растений весной). Цвет этих
листьев свидетельствует о том, что значительная часть поглощенной
ими световой энергии приходится на долю непластидных пигментов.
На фиг. 57 в качестве примера приведены кривые спектрального
пропускания и отражения трех разновидностей Corylus avellana'. нор-
мальной, золотистой и красной. Кривые I и II иллюстрируют эффект
поглощения света при крайних изменениях концентрации хлорофилла
(см. стр. 87), тогда как кривая III показывает значительное уве-
личение поглощения (особенно в зеленой части), обусловленное при-
сутствием антоцианинов в пурпурных листьях; поглощение света
в золотистых и красных листьях будет рассматриваться также
в гл. XXVIII и XXX по отношению к выходу фотосинтеза.
Там, где речь идет о зеленых листьях и водорослях, вопрос о доле
участия непластидных пигментов в поглощении света остается нере-
шенным. Возможно, что их участие широко варьирует от вида к виду.
Например, в листьях Phaseolus vulgaris содержится значительное
количество желтых растворимых в воде пигментов; то же наблюдается
и в иглах хвойных деревьев [42].
Выше упоминалось, что «белые» листья могут поглощать 10—20°/о
падающего белого света (Зейбольд [32, 43], см. фиг. 59). Это цо=
глощение также, вероятно, обусловливается непластидными пигментами,
Большинство исследователей, измерявших выход фотосинтеза по
отношению к количеству поглощенного света, очевидно, допускали,
что поглощение непластидными компонентами незначительно и им
Поглощение света пигментами в живой клетке
93
можно пренебречь. Однако это допущение не всегда справедливо,
особенно при работе с сине-фиолетовым светом. Поэтому, перед тем
как предпринимать количественную работу по фотосинтезу, надо удо-
стовериться в том, что
выбранные в качестве
объекта растения не со-
держат непластидных пиг-
ментов или, по крайней
мере, содержат их лишь
в незначительном коли-
честве. Ноддак и Эйхгоф
[39] определяли поглоще-
ние света «бесцветными»
компонентами Chlorella и
пришли к выводу, что
оно незначительно. Это
заключение может быть
и правильно, однако ме-
тод, использованный на-
званными авторами—сра-
внение с поглощением
клеток, обесцвеченных
бромом,— не вполне на-
дежен, так как бром может
обесцвечивать не только
пластидные пигменты.
Предполагалось, что
долю полного поглощения
света пигментами пластид
можно определить, экст-
рагируя их и сравнивая
поглощение экстракта с
поглощением исходного
листа. Тимирязев [5] и
Лазарев [22, 26] основы-
вали это на допущении,
что поглощение белого
света экстрагированными
пигментами почти одина-
Ллина волны, м/л
Фиг. 57. Спектры листьев нормальной, золо-
тистой и красной разновидностей Corylus
avellana.
А. Кривые пропускания. Б. Кривые отражения. В. Кри-
вые поглощения. I—нормальная разновидность; II—золо-
тистая разновидность; III—красная разновидность. Кри-
вые желтых, красных н белых листьев, наполненных
воздухом или ннънцированных водой, можно найти в ра-
боте Зейбольда и Вейссвейлера [96].
ково с их поглощением
в листе. Однако рассеяние света, «эффект проскока» и смещение
полос могут привести к совершенно различным значениям этих вели-
чин. Правда, одни из этих причин могут усиливать поглощение, дру-
гие— ослаблять его, однако было бы странным совпадением, если бы,
в конечном счете, их действие оказалось взаимно уравновешенным.
Ноддак и Эйхгоф [39] нашли, что повышенное поглощение живых
Пропускание или отражение,
Фиг. 58. Спектр пропускания
и отражения листа Parietaria
officinalis.
/—пропускание; II—отражение.
Фиг. 59. Пропускание, отражение и поглощение света зеленым листом
Pelargonium zonale и соответствующие константы для «белого» листа [69].
/—пропускание зеленого листа; //—отражение зеленого листа; ///—поглощение зеленого
листа; IV—пропускание «белого» листа; V— отражение «белого» листа; VI — поглощение «белого»
листа.
На фигуре видно значительное поглощение в «белых» листьях, особенно в сине-фиолетовой
области. Другие кривые «белых» листьев можно найти у Зейбольда и Вейссвейлера [96].
Поглощение света пигментами в живой клетке
95
клеток Chlorella в крайней красной области почти полностью
компенсируется уменьшением поглощения в области 520—680 мц
(см. фиг. 68); однако Зейбольд и Вейссвейлер [43] не подтвердили
Фиг. 60. Спектр пропускания (1g То/Т) листьев Fatsia и
АсиЬа [82].
Z—листья Fatsia*, ZZ—листья АсиЬа.
Абсолютные значения ординат установлены так, чтобы кривые иаилуч-
шим образом согласовались со спектром экстрагированных пигментов.
этого результата, а, напротив, обнаружили, что по всему видимому
спектру поглощение живых клеток гораздо больше, чем поглощение
экстрактов.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА РАСТЕНИЙ
Экспериментальные данные
Из предыдущего обсуждения ясно, что спектр, называемый обычно
«спектром листа» или «спектром суспензии клеток», не является
истинным спектром пигментов, заключенных в этих объектах (если
подразумевать под «истинным спектром» кривую, полученную при
нанесении коэффициента поглощения смеси пигментов в зависимости
от длины волны). Можно измерить /, Т и R или S = Т-\- R, нанести
T/I, R/I или A/I (=[/—(Т-|-/?)]//—[/—в зависимости от
длины волны к, и назвать полученные кривые «спектрами пропуска-
ния», «спектрами отражения» или «поглощения» соответственно; можно
также использовать бесцветные образцы, определить для них То
и Ro или S0=T0-|-/?0, нанести Т/То, R/Ro или S/So, в зависимости
от л, и обозначить эти кривые как спектры «пропускания», «отра-
жения» или «поглощения» соответственно. Хотя по каждой из этих
кривых можно судить об определенном свойстве исследованного образца,
однако они все различны (например, на фиг. 58 даны спектры про-
пускания и отражения одного и того же листа). С другой стороны,
истинный спектр поглощения обязательно отражает в себе внутренние
особенности данного типа молекул или, в случае смеси, «усреднен-
ные» свойства молекул, входящих в смесь. Ниже мы обсудим данные
96
Глава XXII
по количественному анализу эмпирического «спектра листа» или
«спектра клетки». Здесь же мы рассмотрим экспериментальные ре-
зультаты и обсудим их с качественной точки зрения.
Данные по спектральным исследованиям листьев наземных ра-
стений можно найти в целом ряде работ [17, 57—60, 64, 66, 67,
69, 70, 72, 82, 90, 95, 96, 97, 99, 101, 103 и др.]. Кривые на
фиг. 61—65 взяты из наиболее поздних работ. На фиг. 64 даны
спектры пропускания пропитанных водой листьев водных растений
Фиг. 61. Пропускание (Т/Г) листьев Hibiscus rosa-sinensls и эквивалент-
ных количеств пигментов в эфире [90].
I—темнозеленые листья; II—светлозеленые; III—желтые; IV—темнозеленый экстракт пигмен-
тов; V—светлозеленый экстракт пигментов.
Если принять в расчет отражение, то оказывается, что листья поглощают больше, чем экстра-
гированные пигменты, в зеленой области спектра и меньше в сине-красной области.
Elodea и Potomageton. Спектры пропускания слоевищ водорослей
измерялись многими авторами [52—55, 63, 70, 95, 96]. На фиг. 65—67
даны кривые, полученные этими авторами. Спектры пропуска-
ния взвесей одноклеточных водорослей исследовались в работах
[80, 81, 88, 100, 102, 104]. Некоторые из этих кривых воспроизведены
на фиг. 68—71.
Альберс и Кнорр [73] измеряли спектры поглощения отдельных
хлоропластов в узкой области 664—709 мр (см. фиг. 83). Вермей-
лен, Вассинк и Реман [74], Катц и Вассинк [79], Вассинк, Катц и
Доррештейн [80] и Френч [76, 83] исследовали спектры пропускания
пурпурных бактерий (фиг. 72—75). Эгле [75] и Лумис, Карр и Рен-
дол [90] изучали пропускание и отражение листьев в инфракрасной
Поглощение света пигментами в живой клетке
97
области. На фиг. 76 и 77 видно, что в пределах 800—1300 мр
на долю (T-j-/?) приходится 85—9О°/о падающего света в сравни-
тельно тонком листе картофеля и 75—85% в листе Ficus elastica
(0,6 мм толщины). Указанная область охватывает большую часть
инфракрасного излучения солнца, которое достигает земной поверх-
ности на уровне моря (около 75% этого излучения относится к области
от 700 до 1500 Mfi). Полосы поглощения в области X > 1,5 ц,
Фиг. 62. Спектры поглощения и отражения листьев, суспензий хлоропла-
стов и осадка, полученного при центрифугировании разрушенных ультра-
звуком хлоропластов.
А. Листья Lactaca. Б. Листья Dolichos. В. Суспензия хлоропластов Dolichos; концентрация
хлорофилла—0,009 мг/мл. Г. Суспензия хлоропластов шпината, разрушенных ультразвуком;
концентрация хлорофилла —0,0084 мг!мл. Д. Суспензия хлоропластов шпината; концентрация
хлорофилла—0,0084 мг/мл. Е. Суспензия хлоропластов шпината, разрушенных ультразвуком;
концентрация хлорофилла—0.010 мг/мл. I—поглощение; II—отражение.
Измерения производились в сфере Ульбрихта [99].
показанные на фиг. 76 и 77, относятся за счет воды и углекислоты.
В общем, выше 700 мо. зеленые растения поглощают сравнительно
мало. В этой области поглощение было бы бесполезно для фотосин-
теза и приводило бы к сильному нагреванию.
Фиг. 78 иллюстрирует «побеление» листьев и игл хвои в ближнем
инфракрасном свете. При этом отражение инфракрасного света листьями
сравнивается с отражением от куска белой бумаги. По мнению Мекке
и Болдуина [77], именно это отсутствие поглощения (скорее, чем
инфракрасная флуоресценция) обусловливает замечательный светлый
7 Зак. 4040. Е. Рабинович
Фиг. 63. Спектры поглощения листьев и хлоропластов, построенные по 1g
плотности и приведенные к одному и тому же значению у 670 мр [99].
Z—листья; II—толстые листья; III—Phaseolas (по Зейбольду и Вейссвейлеру); IV— кривая
фотосинтетического действия (по Гуверу); V—суспензия Chlorella (по Эмерсону и Льюису);
VI—хлоропласты; VII—кривая, полученная на приборе Бэкмана для раствора хлоропластина
(хлоропласты, разрушенные ультразвуком), нанесена в виде (/— Г), т. е. представляет собой
поглощение плюс рассеяние; VIII—кривая, полученная в сфере Ульбрихта, нанесена по
I—Т—Р), т. е. представляет собой чистое поглощение. Кривая поглощения Chlorella по Эмер-
сону и Льюису (V) и кривая фотосинтетического действия по Гуверу {IV) даны для сравнения.
Фиг. 64. Спектры пропускания во-
дяных растений [70].
Z — зеленые клетки (по Зигельману); II —Ро-
tomageton; III—Elodea; IV—Elode a (по
Рейнке).
Фиг. 65. Пропускание, поглощение
и отражение зеленой водоросли Mo-
nostroma [70].
1 — поглощение; II — отражение; III—кривая
разниц между падающим и пропускаемым
светом (100 —Г); IV—поглощение Delesseria
(для сравнения см. фиг. 67).
Фиг. 66. Спектры пропускания бу-
рых водорослей [70].
I—Fucus, отдельные клетки (по Гайдукову);
11—клетки бурых водорослей (по Энгельману):
III—Phyllitis (по Рейнке). Максимум пропуска-
ния расположен у 600 мр. (у зеленых растений
и водорослей приблизительно у 550 лер.; см.
фиг. 64, 65), что объясняется присутствием
фукоксантола. Спектры поглощения Fucus и
Laminaria см. в работе [96].
Фиг. 67. Пропускание, отражение и
поглощение красной водоросли De-
lesseria [70].
I—поглощение; //—отражение; ///—кривая
разниц между падающим н пропускаемым
светом (100—Т).
Полученные позднее кривые поглощения De-
lesseria и Porphyra даны в работе [96J; Iridaea
и Qigartina — ]102].
Фиг. 68. Спектры поглощения
(7—S')/I = (7—Т—R)fl	суспензии
Chlorella [81].
/—35 мл экстракта пигментов в сосуде толщи-
ной 3,9 см', //—35 мл суспензии клеток в со-
суде толщиной 3,9 см. Около 1,1»107 клеток и
1,6*10“б г хлорофилла а и Ъ в 1 мл.
Фиг. 69. Спектр пропускания (Tq/T)
суспензии Chlorella [92].
I—неповрежденные клетки; //—комбинирован-
ные экстракты.
?♦
Фиг. 73. Кривые поглощения
экстрагированного пигмента и
живых клеток Streptococcus va-
rious (штамм СП) [83].
I—экстрагированный пигмент; // — живые
клетки. Полосы поглощения экстрагирован-
ного пигмента сдвинуты так, чтобы их
максимумы совпали с максимумами погло-
щения живых клеток.
Ф и'г.' 74. Кривая поглощения пиг-
ментов Spirillum, rubrum в живых
бактериях, измеренная фотоэлектри-
чески при контролировании рассея-
ния по обесцвеченным бактериям [76].
Я—полосы красного пигмента спириллоксан-
тина; 3—полосы зеленого пигмента бактерио-
хлорофилла.
Фиг. 75. Спектры поглощения пигментов зеленых серных бактерий в крас*
ной и инфракрасной областях [79].
/—суспензия клеток; //—спиртовой экстракт.
102
Глава XXII
тон растительности на инфракрасных фотографиях ландшафтов (фиг. 79).
На фиг. 80 показаны спектры отражения трех листьев одного и
того же растения, но различных по возрасту [65].
Фиг. 76. Пропускание и отражение листа картофеля
(Solatium tuberosum) в ближней инфракрасной об-
ласти [90].
1—пропускание; 11—отражение нижней поверхности листа; ZZZ-ot-
ражение верхней поверхности листа. Можно заметить полосы погло-
щения воды в области X > 1300 лф. и очень малое поглощение (отра-
жение плюс пропускание равно 90—100°/<>) в области 800—1300 мр, на
которую падает почти все ближнее инфракрасное излучение солнца.
Фиг. 77. Пропускание и отражение нижией поверх-
ности листа Ficus elastica в ближней инфракрасной об-
ласти спектра [90].
Z—пропускание; ZZ—отражение нижней поверхности.
Цифры Покровского [61], приведенные в табл. 14, иллюстрируют
распределение света различных длин волн, падающего на лист Fra-
xinus excelsior.
Поглощение света пигментами в живой клетке
103
Таблица 14
ОТРАЖЕНИЕ, ПРОПУСКАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА ЛИСТЬЯМИ
FRAXINUS EXCELSIOR ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЕ ВОЛНЫ, "(о
(по Покровскому [24])
Использование света листьями	Длина волны, ми-					
	480	500	551	600	620	650
Отражается . . .	2,5	4,1	11,5	7,7	6,7	5,4
Пропускается , ,	6,4	8,6	17,5	12,4	11,1	9,8
Поглощается . .	91,1	87,3	71,0	79,2	82,2	84,8
На фиг. 81 приведены, по Лумису, Карру и Рендолу [90], спектры
отражения осенних листьев различной окраски (средние из 20—80
различных видов). Шпон [71] наблюдал, что положение максимума
Длина волны, мщ
Фиг. 81. Среднее отражение зеле-
ных и осенних листьев. Каждая кри-
вая получена иа основании средних
величин, измеренных для 20—80
образцов [90].
/—зеленый сзет; //—красный свет; III—оран-
жевый свет; /V—желтый свет.
Длина волны, ми.
Фиг, 80. Отражение (??//) листьев
Tilla amertcana [65].
/ — молодой лист; // — зрелый; III—старый.
поглощения хлорофилла в осенних листьях сдвигается с 670 на 660 л/р,
что, повидимому, свидетельствует об освобождении хлорофилла из
пигментно-белково-липоидного комплекса, имеющегося в фотосинте-
зирующих листьях.
Две характерные черты приведенных здесь кривых бросаются
в глаза: сдвиг максимумов полос в сторону более длинных волн по
104
Глава XXII
сравнению с их положением в спектрах растворов и размытость всех
полос, ведущая к значительному поглощению (или создающая иллюзию
поглощения) в тех областях (зеленой или крайней красной), где рас-
творы пигментов обычно почти совсем прозрачны. Первое обстоя-
тельство может быть приписано изменениям самих кривых поглощения
пигментов в клетке (см. ниже). Форма кривых в значительной сте-
пени (но, вероятно, не вполне) обусловлена рассеянием, «эффектом
проскока» и другими явлениями геометрической оптики.
Максимумы полос хлорофилла и бактериохлорофилла
в спектрах живых растений
Красная полоса хлорофилла а. Практически все поглощение
зеленых растений в области спектра выше 550 лр. обусловлено хло-
рофиллом (см. стр. 128), и главный пик поглощения хлорофилла а
в красной области можно обнаружить на всех спектрах растений.
Гагенбах в 1870 г. [49] заметил, что этот пик смещен на 20 ми. по
направлению к инфракрасной области по сравнению с его положением
в эфире, спирте или подобных растворителях; аналогичное смещение
было найдено в 1871 г. Герландом у менее резко выраженных полос
хлорофилла в желтой и оранжевой областях спектра.
Тимирязев [51] в одной из первых работ, касающихся влияния
рассеяния на спектр листьев, предположил, что рассеяние может не
только расширять полосы поглощения, но также и смещать их макси-
мумы. Однако отнести «красное смещение» за счет рассеяния не-
возможно хотя бы потому, что смещение исчезает и полоса возвра-
щается в положение, соответствующее истинному раствору (фиг. 82)
после пропитывания листьев эфиром или погружения их в кипящую
воду [17, 85, 95]. Эти способы обработки не ведут к растворению
пигментов или к усилению гомогенности тканей, они только разру-
шают соединение хлорофилла с белками и липоидами. В то же время
высушивание, меняющее рассеяние света в листе в значительно боль-
шей степени, чем погружение в горячую воду, не влияет на поло-
жение максимума красной полосы[85].
Вывод о том, что положение красного пика поглощения в живых
клетках не зависит от рассеяния, подтверждается определениями
спектров поглощения у отдельных клеток (Баас-Бекинг и Росс [62])
и отдельных хлорофиллов (Альберс и Кнорр [73]). На фиг. 83 видно,
что максимумы поглощения отдельных хлоропластов Protococcas ле-
жат у 680 мц, т. е. в той же самой области, что и у цельных
листьев. Не только в спектрах отдельных клеток, но также и
в спектрах их взвесей эффекты рассеяния должны играть меньшую
роль, чем при измерении спектра листьев. Некоторые кривые при-
ведены выше (см. фиг. 68 и 69 для Chlorella-, фиг. 70 для Chroococ-
cas и фиг. 71 для Oscillatorid). «Красное смещение» заметно на
всех этих кривых, особенно на трех последних фигурах, где сопо«
Поглощение света пигментами в живой клетке
105
ставлены спектры экстрагированных пигментов и живых клеток. Дей-
ствительно, только кривые Ноддака (см. фиг. 68) говорят о сравни-
тельно небольшом смещении (от 660 до 668 лр) у живых клеток
Chlorella, а Катц и Вассинк[79], так же как и Зейбольд и Вейсс-
вейлер [95], нашли для красной полосы у Chlorella значение, совпа-
дающее с ранее найденными для листьев, — около 680 мр. Наконец,
как это указывалось на стр. 61 (ср. фиг. 62, 63 и 76), в водных
экстрактах хлоропластов красный пик поглощения расположен
у 675 мр. Таким образом, положение красного пика в живых клет-
ках определяется, без сомнения, состоянием пигмента (которое до
Фиг. 83. Спектры поглоще-
ния
Фиг. 82. Влияние кипячения и погруже-
ния в эфир на спектр пропускания листа
Parietarla [95].
/—свежий лист; II—лист, погружавшийся в кипящюу
воду; III—лист, погружавшийся в эфир.
отдельных хлоропластов
Protococcus [73].
некоторой степени сохраняется в коллоидных экстрактах), а не усло-
виями геометрической оптики.
Часто указывалось, что положение красного максимума хлоро-
филла, а также число и положение вторичных максимумов варьирует
у различных видов растений. Из табл. 15, в которой дана сводка
экспериментальных результатов, видно, что красный пик лежит
у 675 лр±15 мр, т. е. среднее положение его соответствует
«красному смещению» в 15 мр, или 370 см-1 (по сравнению
с положением соответствующей полосы поглощения в эфирном рас-
творе хлорофилла а). Крайние пределы вариаций Амано в табл. 15
(665—690 лр) очень широки. Однако вследствие диффузного харак-
тера спектра положение максимума часто нельзя определить точно.
Поэтому нельзя с уверенностью сказать, что приведенные в таблице
Таблица 15
МАКСИМУМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ В СПЕКТРАХ ЖИВЫХ КЛЕТОК
Растения	Тип x) спектра	Положение		Сс ылка на ли- тера- туру
		главного красного максимума	других полос (приблизительное)	
Наземные растения				
Fatsia (см. фиг. 60)		т	677	486, 468, 440	[82]
Hibiscus (см. фиг. 61) ... .	т	665	470	[90]
Pelargonium (см. фиг. 59) . .	А	670	580, 480, 440	[66]
ТШа (см. фиг. 80)	 8 различных суспензий (см. фиг. 62 и 63)		Р А, Р	678 670—680	500—480 460—430 660-690 600—620 588 -580	[65] [99]
50 различных суспензий . . .	Т	663—690	—	[64]
Различные суспензии .... Во	т р д я н ы	678-684 680—684 е растения		[95]
Potomageton (см. фиг. 64) . .	Т Зодо	1	667	| росли	440, 420	[70]
Chlor ell а (см. фиг. 34) . . .	А	680	—	[79]
„	(см. фиг. 68) ...	А	668	—	[81]
»	(см. фиг. 69) ...	Т	672	488, 473, 432	[88]
	Т	675, 625 (?)	475, 430	[ЮО]
» 		А	680	—	[95]
Laminaria (см. фиг. 66) . . .	Т	669	—	[69]
Nitzschia		Т	680	—	[89]
	Т	675, 630 (?)	580, 470, 440	[ЮО]
Delesseria		т	668, 605	540—490 з)	[69]
Iridaea		т	675, 6202)	5503), 480	[102]
Chroococcus (см. фиг. 70) . . X Protococcus, Spirogyra, Zy-	т лоро	683, 6252) пласты	436	[88]
gnema (см. фиг. 83) ... .	т	681—684	698, 687, 676, 679, 673, 675, 667, 669	[73]
’) Т—спектр пропускания, R—спектр отражения, А—спектр поглощения (пропускание 4-
2) Фикоцианин.
•) ФиоэритриНк
Поглощение света пигментами в живой клетке
107
вариации Хмако соответствуют каким-либо истинным значениям; на-
пример, для Chlorella получены четыре значения: 680, 668, 672 и
680 жр! *
Любименко [64], сфотографировавший спектры поглощения боль-
шого числа листьев, настаивает на том, что в них имеются реальные
различия, причем не только в положениях главных пиков, но также
и в расположении и числе вторичных максимумов поглощения в жел-
том, зеленом и синем.
Согласно Любименко, в спектрах некоторых видов (группа 1)
наблюдаются 8 полос в видимой области. Примером является кра-
пива (Urtica dioica), дающая полосы: I, 680—660; II, 650—645;
III, 630—606; IV, 600—570; V, 550—540; VI, 512—480; VII,
450—430 и VIII, ниже 420 жр. Полосы III, IV и V наблюдаются
лишь в тех случаях, когда определяется поглощение сразу двух
листьев. Листья группы 2, в которую входит много видов, дают 7
полос (полоса VII из предыдущего списка отсутствует). К этой
группе относятся, например, Elodea canadensis и Hedera helix.
Группа 3 (например, Pranas laarocerasas) дает только 6 полос
(полосы I и II сливаются). Наконец, растения группы 4 (например,
водоросль Ulva lactucd) дают только 5 полос: I, II, V, VI и VIII.
Отсутствие полосы III в этих спектрах особенно удивительно. По
данным Любименко, табл. 16 показывает пределы вариаций в поло-
жениях этих полос; автор пытается также идентифицировать эти по-
лосы с полосами хлорофиллов а и b в растворе. Согласно Люби-
менко, при переходе от вида к виду смещения отдельных полос
различны по величине или даже имеют разное направление.
Фотометрические кривые говорят о том, что многие из отмечен-
ных визуально «вторичных» полос Любименко проявляются лишь как
небольшие искривления главных полос или незначительные выступы
на почти ровных «плато» поглощения (см., например, фиг. 60 и 62).
Кажущиеся смещения в положении этих «максимумов» или даже
исчезновение некоторых из них может быть просто отнесено за счет
изменений соотношения хлорофиллов а и Ь, так же как и за счет
вариаций рассеяния. Любименко усматривал в этих различиях дока-
зательство изменчивости химического строения «естественного хлоро-
филла» (название, данное им гипотетическому комплексу, образо-
ванному белками со всеми пигментами пластид**).
* В работе А. А. Красновского и Л. М. Кособуцкой (ДАН СССР, 85,
177, 1952) было показано, что положение максимума поглощения хлорофилла
в гранулах зависит от стадии онтогенеза: первично из протохлорофилла
образуется хлорофилл с максимумом поглощения при 670 далее, по мере
накопления пигмента и его агрегации, максимум постепенно перемещается
к 678 лер.. — Прим. ред.
** Работы последнего времени совершенно точно показывают, что хлоро-
филлы — белковые комплексы в живых листьях —. не гипотетическая кате-
гория, а реальность. — Прим. ред.
108
Глава XXJI
Таблица IS
ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ в листьях
(по Любименко [64])
Пслоса	Хлорофилл (д+&) в эфире 1), X	Листья, X
I («)	669-655	От 700-680 до 680—655
II (*)	648—638	От 660-650 до 648—638
III («)	619—605	От 630—620 до 620—610
1V1Й	599-570 571—559	От 600—570 до 595—575
V (п, &)	547—523	От 555—542 до 545—535
VI (а, Ь)	506—489	От 510—490 до 505—480
т [[')	467-446 439-424	450—430
VIII	415	418—430
*) См. также табл. 1.
Альберс и Кнорр [73] нашли, что число и положение полос погло-
щения в отдельных хлоропластах Protococcus, Spirogyra и Zygnema
варьируют не только от вида к виду, но также и от образца
к образцу. Кроме максимумов 681 — 683 и 672—675 яр, которые
можно приписать хлорофиллам а и Ъ (соответственно), в некоторых
хлоропластах обнаруживались вторичные максимумы у 667—669 и
678—679 яр и —в достаточной мере неожиданно — в крайней крас-
ной области, у 698 лр. (см. фиг. 83).
Альберс и Кнорр полагают, что эти результаты говорят об изме-
нениях химической природы хлорофилла, например окислениях или
восстановлениях, которые, как они думают, могут быть связаны
с участием хлорофилла в фотосинтезе (см. т. I, гл. XIX).
Красная полоса хлорофилла Ь. Главная красная полоса поглоще-
ния хлорофилла Ь заметна, по утверждению Любименко [64], только
в некоторых спектрах листьев (группы 1 и 2, см. выше) и отсут-
Поглощение света пигментами в живой клетке
109
ствует в других (группы 3 и 4). Нет сомнения, что эта полоса также
сдвинута к красному концу спектра по сравнению с ее положением
в растворе (642,5 в эфире); однако величину смещения трудно
измерить вследствие того, что эта полоса появляется главным обра-
зом в виде небольшого выступа с коротковолновой стороны главной
полосы хлорофилла а. В таблице Любименко (табл. 16) для оси
этой полосы даны значения от 643 до 655 ли. Повидимому, это
говорит о несколько меньшем смещении, чем у хлорофилла а. Из
данных табл. 16 можно вынести впечатление, что такая же картина
должна наблюдаться и у спектров обоих хлорофиллов в различных
растворителях in vitro.
Наиболее ясные указания на то, что хлорофилл Ь в растворе и
в живых клетках идентичен, дает спектр флуоресценции. Из табл. 32
и 33 видно, что ось главной полосы флуоресценции хлорофилла b
in vivo лежит у 656 ми., т. е. сдвинута примерно только на 5 мц
к красной области по сравнению с такой же полосой в эфирном
растворе, тогда как ось соответствующей полосы хлорофилла а сме-
щена, по крайней мере, вдвое больше. Это также указывает на то,
что полоса поглощения хлорофилла Ъ в живых клетках, вероятнее
всего, лежит у 647—648 Ми.
Красные и инфракрасные полосы бактериохлорофилла.
В гл. XXI отмечалось, что полосы бактериохлорофилла более чув-
ствительны к влиянию растворителя, чем полосы хлорофилла. По-
этому не следует удивляться, что обе полосы бактериохлорофилла,
расположенные в метанольном растворе у 605 и 770 ми., соответ-
ственно (см. фиг. 7) заменяются в живых бактериях полосами, ле-
жащими гораздо дальше в инфракрасной области: приблизительно
у 800 и 850—870 ми. на фиг. 35, 73 и 84 и у 825 и 875 ми. на
фиг. 72. Фиг. 35 и 73 (см. также табл. 17) говорят о появлении
третьей полосы поглощения непосредственно около 900 ми. или не-
сколько выше, тогда как на фиг. 74 видна лишь одна очень сильная
инфракрасная полоса в области X > 900 ми..
Вассинк, Катц и Доррештейн [80] нашли, что спектры поглоще-
ния пурпурных бактерий варьируют от штамма к штамму, как это
показывают табл. 17 и фиг. 84. В спиртовых экстрактах из всех
организмов, упомянутых в табл. 17, обнаруживается только один
максимум поглощения в красной области, около 774 ли (см. фиг. 36),
вместо двух максимумов у большинства Athiorhodaceae (слабый пик
при А = 800 ми. и резкий — при 875 ми.) и трех у некоторых
Athiorhodaceae и у всех Thiorhodaceae (приблизительно 800, 850 и
895 -Иа). Из анализа формы полос представляется вероятным, что
в спектрах всех пурпурных бактерий имеются три инфракрасные
полосы, хотя в некоторых случаях одна из них может маскироваться
двумя другими. Подобные изменения в спектрах различных видов и
штаммов пурпурных бактерий наблюдались Френчем [83].
по
Глава XXII
Таблица 17
МАКСИМУМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ
(по Вассинку, Катцу н Доррештейну [80])
Вид и штамм	^•макс» л1х		
	1	2	3
Thiorhodaceae			
Штамм D (Роллефсон) ....	895 •	854 850,5 856	803,5
Штаммы 1, 4, 7, 12 (Ван-Ниль) .	895	{		|	796
Штаммы 9, Ь, 19 (Ван-Ниль н		852,5	
Мюллер) 		895		796
Штаммы 101, 201		Слабо	865	|	803,5
Штаммы 301, 401 		895	858	
Athiorhodaceae			
Rhodovibrlo (2 штамма) ....	865	—	802,5
	864	—	803
Rhodobacillus palustris	881 873		802
(3 штамма)				
	862,5 885	)	799
Phaeomonas varians (Strepto-	885	[.	850,5	799
coccus varians (3 штамма) . .	892,5		798,5
Rhodospirillum rubrum (2 штам-	875		800
ма)		878		
Связь полос, найденных в клетках, с полосами растворов бакте-
риохлорофилла (см. фиг. 7) не вполне ясна. Можно ли рассматривать
полосу 800 жр. (найденную in vivo), как смещенную полосу раствора
605 ж [а, и полосу 850 — 870 мр, как смещенную полосу 770 жр?
Это соответствовало бы смещению в 4 000 см-1 для оранжевой и
1 500 см~1 для красной полосы. Первая цифра так велика, что она
внушает сомнения в правильности этого сопоставления. Другая воз-
можная интерпретация состоит в том, чтобы сопоставлять обе по-
лосы in vivo — 800 и 850—870 мр (а может быть, и третью,
у 900 жр) — с одной полосой раствора у 770 мр. Это дает «крас-
ные смещения» в пределах 500—2 000 см-1 и указывает на то, что
бактериохлорофилл присутствует в пурпурных бактериях, по меньшей
мере, в трех различных видах комплексов.
Поглощение света пигментами~ в живой клетке
Ш
Значительные вариации относительных интенсивностей трех пиков
поглощения, которые иллюстрируются кривыми фиг. 84 и еще более
резко ^кривыми фиг. 35, 36, 73 и 74, можно отнести за счет
lg(T0/T)	lg(T0/T)
Длина волны, мр
Длина волны, мр
Длина волны, мр
Длина волны, мр
Фиг. 84. Инфракрасные спектры поглощения суспензий различных штам-
мов Athiorhodaceae [80].
А. Штаммы: I—ЕП 5.II; II—ЕП 5.1.6; Z// — EII 5.2.1. Б. Штаммы Rhodovibrio: I—1; II—2.
В. Штаммы Phaeomonas varians: I—4; // — 4, насыщенный кислородом; III—5. Г. Штаммы
Rhodespirillum rubrum: I—1; II—4; III—8.
различий в относительных количествах отдельных комплексов в раз-
личных видах и штаммах. Комплексы могут образовываться комби-
нацией одного и того же пигмента (бактериохлорофилла) с различными
белками, причем каждый комплекс может быть специфически при-
112
Г лаб a XXII
способлен к использованию одного восстановителя, например водо-
рода, сульфида, тиосульфата или какого-либо органического донора
водорода. Эта гипотеза была высказана Вассинком, Катцом и Дор-
рештейном. Другие объяснения предполагают наличие особых изо-
мерных или таутомерных форм бактериохлорофилла или основываются
на небольших различиях в химическом строении или в уровне вос-
становления пигмента.
Если правильна предложенная выше вторая интерпретация трех
полос бактериохлорофилла in vivo, то возникает вопрос: в силу
каких причин в живых клетках отсутствует полоса, соответствующая
полосе 605 мр, имеющейся в растворе бактериохлорофилла? На этот
вопрос пока еще нельзя дать ответа, можно лишь заметить, что он
требует пересмотра и более систематического исследования. В гл. XXI
отмечалось, что роль полосы 605 жр. не вполне ясна даже в спектрах
растворов.
По данным Катца и Вассинка [79J, в спектре поглощения живых
зеленых серных бактерий наблюдаются два максимума поглощения,
у 740 и 810 мр, вместо одной полосы, найденной в экстрактах
бактериовиридина, у 668 мр (см. фиг. 75 и стр. 49). Величина
«красного смещения» согласуется с гипотезой о том, что бактерио-
виридин есть производное тетрагидропорфина (см. также т. I, стр. 449).
Сине-фиолетовые полосы хлорофилла. В живых клетках по-
ложение второй главной полосы хлорофилла или бактериохлорофилла,
расположенной в сине-фиолетовой части спектра, изучалось меньше,
чем красная полоса, главным образом потому, что присутствие каро-
тиноидов и других желтых пигментов значительно усиливает погло-
щение в этой части спектра и делает его диффузным. В табл. 18
выписаны некоторые значения, которые приводились ранее в этой
главе. Эта таблица показывает «красное смещение» порядка 5—10 лщ..
В шкале частот это смещение (250—500 см-1) почти равно смеще-
нию главной красной полосы.
Таблица 18
СИНЕ-ФИОЛЕТОВЫЕ МАКСИМУМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ
В ЖИВЫХ РАСТЕНИЯХ
Организм
Fatsia (см. фиг. 60)..............
Chlorella (см. фиг. 69)...........
Chroococcus (см. фиг. 70).........
\<авс*
438
432
436
Хлорофилл а в эфире...........
427,5
Поглощение света пигментами в живой клетке	ИЗ
Протохлорофилл. Френч [105], исследуя влияние образования
хлорофилла на спектр, пришел к выводу, что красная полоса поглоще-
ния протохлорофилла лежит in vivo у 650 жр; вследствие малой ин-
тенсивности она еще до сих пор не наблюдалась непосредственно *.
Полосы поглощения сопутствующих пигментов
в живых клетках
В спектрах зеленых листьев Любименко [64] не мог найти, макси-
мумов поглощения, которые можно было бы сопоставить с полосами
поглощения каротиноидов (они легко наблюдаются у 510—480 мр
в спектрах желтых листьев или желтых частей пестрых листьев). Он
указал, что первый максимум каротиноидов может маскироваться по-
лосой VI хлорофилла (см. табл. 16) и что второй, у 470—450 мр,
должен наблюдаться между полосами VI и VII хлорофилла. Любименко
пришел к заключению, что желтые пигменты не существуют «как
таковые» в зеленых пластидах. Это заключение, основанное на чисто
качественном изучении спектров, неприемлемо. В спектрах экстрактов
из листьев (в которых хлорофиллы и каротиноиды, несомненно, су-
ществуют как отдельные вещества) также не всегда обнаруживаются
индивидуальные максимумы всех этих пигментов. Например, на фиг. 96
кривая поглощения цельного экстракта из листьев обнаруживает только
три максимума между 400 и 500 мр (у 410, 428 и 450 лгу.) вместо
шести максимумов, которые можно наблюдать у разделенных зеленых
и желтых пигментов. Два главных максимума каротиноидов (у 422 и
467 лр.) и один макеимум хлорофилла (у 500 лгр.) пропадают вслед-
ствие наложения кривых поглощения.
При тщательном исследовании максимумы каротиноидов могут быть
обнаружены в спектрах, по крайней мере в некоторых растениях.
Пики, которые, вероятно, принадлежат каротиноидам, заметны, напри-
мер, у 468 и 486 мр в спектре листьев Fatsia (см. фиг. 60 и
табл. 15) и у 473 и 488 мр в спектре Chlorella (см. фиг. 69). Если
приписать оба этих пика лютеолу, полосы поглощения которого в эфир-
ном растворе лежат у 442 и 472 мр (см. табл. 1), то, следовательно,
полосы каротиноида в живых клетках сдвинуты в красную сторону
на 25—30 мр (Av = 1 250 см~*, что в 3 раза больше, чем смещение
красной и сине-фиолетовой полос хлорофилла). Эмерсон и Льюис [92]
постулировали в своей интерпретации спектра Chroococcus (см.
стр. 131), что смещение полос каротиноидов in vivo составляет 14 мр
по отношению к их положению в этаноле. Согласно табл. 1, это
соответствует смещению в 24 жр. по отношению к эфирному раствору,
что хорошо согласуется с приведенной выше оценкой (25—30 мр).
* В работе А. А. Красновского и Л. М. Кособуцкой показано (ДАН
СССР, 85, 177, 1952), что максимум поглощения протохлорофилла в этиоли-
рованных листьях лежит при 635 мр. — Прим. ред.
8 Зак. 4040. Е. Рабинович
114
Глава XXll
Менке [84] экстрагировал хлорофилл из препаратов хлоропластов,
полученных из листьев шпината (см. т. I, стр. 369), и нашел, что
после этого остается кирпично-красный остаток. Суспензия этого
остатка в воде дала полосы поглощения у 490 и 540 Ж[г, т. е. го-
раздо дальше к красной области, чем полосы каротиноидов в спектре
живых зеленых растений (470 и 490 му, как приведено выше для
листьев Fatsia и клеток Chlorella). Смачивание эфиром ведет к изме-
нению цвета и сдвигу полос поглощения на места, обычные для
каротиноидов в растворах (442 и 472 му).
Спектр поглощения бурой водоросли Laminaria, полученный
Менке, давал обусловленные, вероятно, присутствием фукоксантола
полосы у более длинных волн, а именно: у 499 и 545 му. Нагрева-
ние до 70э приводило к смещению этих полос за 510 му и измене-
нию коричневого цвета в зеленый.
Кривые пропускания диатомовых водорослей (Nitzschia dissipata),
опубликованные Вассинком и Керстеном [100], так же как и кривые
поглощения бурых водорослей, данные Зейбольдом [70, 96, 97], ясно
показывают возрастающее поглощение по сравнению с зелеными водо-
рослями (как, например, Chlorella или Uha) в области 500—580 жр.
Однако эти кривые не дают никаких указаний на положение пика
(или пиков) поглощения каротиноидов, которые вызывают поглощение.
Сравнивая кривые пропускания живых диатомовых водорослей и вод-
ных коллоидных экстрактов клеток, коричневатый цвет которых напо-
минает цвет суспензий клеток, с кривыми пропускания экстрактов
зеленых пигментов в органическом растворителе(метанол и петролей-
ный эфир), Вассинк и Керстен обнаружили смещение полос фукоксан-
тола in vivo в сторону более длинных волн приблизительно на 20 му,
что соответствует 700 слг-'. однако эта оценка не совсем надежна
ввиду отсутствия явно выраженных максимумов. Эти кривые и кривая
поглощения (по Карреру) для фукоксантола’в растворе говорят о не-
которой неопределенности; неизвестно, связано ли возрастание погло-
щения у диатомовых и бурых водорослей в зеленой области
(500—560 му) преимущественно (или даже исключительно) с сильным
красным смещением всей полосы фукоксантола или оно объясняется
расширением этой полосы в сторону более длинных волн.
Описанные наблюдения дают некоторое представление относительно
силы, с которой каротиноиды связываются в пигментно-белково-липо-
идном комплексе в хлоропластах. Согласно уравнению (21.4) и фиг. 25,
красное смещение может обусловливаться ассоциацией светопоглощаю-
щей молекулы с другими молекулами посредством адсорбции, раство-
рения или комплексообразования. Это смещение почти равно (в энер-
гетической шкале) разнице энергий связи нормальной и возбужденной
молекулы пигмента. У зеленых листьев и водорослей мы нашли, что
полосы хлорофилла сдвинуты на 370 см~1, в то время как полосы
лютеола — на 1 250 см~1 (по Мейеру и Эмерсону и Льюису), а может
быть, даже на 2 220 и в некоторых случаях на 2 530 см-1 (по Менке).
Поглощение света пигментами в живой клетке	115
Полосы фукоксантола у бурой водоросли Laminaria сдвинуты (по
Менке) еще более сильно: на 2 585 и 2 815 см^1.
Все эти смещения указаны по отношению к положению полос
в растворе эфира.
Лучшее представление об энергиях связи можно получить
при сравнении экстраполированных значений положений полос
изолированных молекул пигмента. Такая экстраполяция была проде-
лана для хлорофилла и бактериохлорофилла (стр. 49), но пока еще
нет возможности провести ее для каротиноидов.
Сильный красный сдвиг полос каротиноидов, особенно фукбксан-
тола, ясно показывает, что эти пигменты образуют часть некоторого
комплекса в хлоропласте и что связь становится особенно сильной,
когда молекулы каротиноидов находятся в электронном возбуждении.
Это обстоятельство может иметь отношение к переносу энергии элек-
тронного возбуждения от каротиноидов (особенно фукоксантола)
к хлорофиллу. Вследствие этого в присутствии фукоксантола обна-
руживается сенсибилизированная флуоресценция хлорофилла in vivo
(см. гл. XXIV, стр. 225), и, вероятно, этим объясняется участие
каротиноидов в сенсибилизации фотосинтеза (см. гл. XXX).
Максимумы поглощения каротиноидов особенно ясно видны на
кривых спектрального пропускания, полученных Френчем [76] для пур-
пурных бактерий (см. фиг. 74), потому что в этом случае полосы
каротиноидов попадают между двумя полосами поглощения бактерио-
хлорофилла, примерно у 600 и 400 мр.
Различия в положении полос каротиноидов у бурых и красных
разновидностей Streptococcuc varians описаны Френчем в более позд-
ней работе [83].
Полосы поглощения фикобилинов ясно различимы в спектрах си-
них и красных водорослей, например на фиг. 67 приблизительно
у 550 жр (фикоэритрин) и на фиг. 70 вблизи 625 жр (фикоцианин).
По данным Эмерсона и Льюиса [92], максимум фикоцианина сдвинут
почти на 6 жр в сторону коротких волн в водном экстракте клеток
(см. фиг. 70 и 97), тогда как пики поглощения других пигментов
сохраняют то положение, которое они имеют в живых клетках. Это ука-
зывает на то, что в экстракте комплекс цианобилин—белок отщепляется
от пигментно-белково-липоидного комплекса, присутствующего в жи-
вой клетке. В гл. XV (т. I) уже было показано, что из всех пигментов
пластид только фикобилиновые хромопротеиды переходят в истинный
коллоидный раствор при экстрагировании водой.
Суммируя, можно сказать с достоверностью, что все пигменты,
найденные в экстрактах из растений, сохраняют свои спектральные
свойства в живых клетках, несмотря на их вероятную тесную ассо-
циацию в общем комплексе. Это присоединение является, однако, при-
чиной значительного сдвига полос и, повидимому, изменяет также и
их форму, особенно у таких второстепенных пигментов, как фуко-
ксантол.
8*
116
Глава ХХП
Истинный спектр поглощения смеси пигментов
в живой клетке
В двух предыдущих разделах мы пытались извлечь возможно
больше сведений, основываясь на положении максимумов поглощения
в эмпирических спектрах растений (эти спектры описаны и воспроиз-
ведены в первом из указанных разделов). Мы несколько раз подчер-
кивали, что различия между «спектрами растений» и сцектрами экстра-
гированных пигментов не ограничиваются лишь смещениями полос,
но выражаются также и в изменениях высоты и формы отдельных
максимумов. Однако, как уже указывалось на стр. 104, эти измене-
ния в большой степени обусловлены рассеянием и другими явлениями
из области геометрической оптики. В настоящем разделе мы попы-
таемся прежде всего дать более подробное описание вида полос по-
глощения в живых растительных клетках и вывести из эмпирических
спектров растений истинные кривые поглощения содержащихся в них
смесей пигментов.
При сравнении спектров растений со спектрами поглощения экс-
трактов пигментов отмечалось (стр. 104), что наиболее важная от-
личительная особенность первых состоит в общей размытости. Это
положение может быть иллюстрировано отношением оптических плот-
ностей lg (//S) или IgCTo/T") для пиков и впадин.
Отношение оптических плотностей в зеленом минимуме и красном
максимуме кривых поглощения составляет (см. табл. 2) меньше чем
0,01 в чистом хлорофилле а и около 0,05 в эфирном экстракте из
листьев ячменя, содержащем все пигменты хлоропластов; однако, как
видно из табл. 19, это отношение в живых водорослях превышает 0,3,
а в зеленых листьях достигает 0,6.
Отношение фиолетовый пик/красный пик также изменяется: оно
падает от 1,75 в эфирном экстракте до 1,6 в коллоидных водных
экстрактах, 1,4 и 1,5 в живых водорослях и 0,9—1,2 в зеленых
листьях.
Надо заметить, что отношения, полученные из истинных спектров
поглощения, 1g (//5), не очень отличаются от значений, выведенных из
спектров пропускания, 1g (То/Т), которые получают, сравнивая окра-
шенные и бесцветные ткани или, в случае взвеси клеток, сравнивая
эти последние с чистой водой.
Подобные же данные для разновидностей зеленых, желтых и крас-
ных листьев можно найти в работе Зейбольда и Вейссвейлера [96, 97].
Возникает вопрос, можно ли снижение пиков поглощения и вырав-
нивание впадин на кривых приписывать только эффектам геометри-
ческой оптики, включая эффект рассеяния и «эффект проскока», или
это явление указывает на истинную деформацию кривых поглощения
пигментов, связанную с тесной упаковкой пигментов в хлоропластах
и ассоциацией их с белками и липоидами?
Поглощение света пигментами в живой клетке
117
Выравнивание пиков гораздо сильнее проявляется в спектрах ли-
стьев, нежели в спектрах водорослей, и этот факт указывает на то,
что эффекты геометрической оптики играют значительную роль в этом
явлении. Наблюдения Танада [104] над глицериновыми суспензиями
водорослей (табл. 19) подтверждают это толкование. Ясно, что рассея-
ние или «эффект проскока» должны вести к кажущемуся уменьшению
селективности поглощения, когда наносятся lg (I/Т) или lg(ro/7), так
как при этих двух способах выражения потери слабо поглощаемого
(зеленого и крайнего красного) света при рассеянии могут «симули-
ровать» поглощение.
Этим можно пытаться объяснить результаты опытов 4, 5, 7 и
8а—8г табл. 19, которые получены при сравнении рассеивающего
объекта с кюветами, наполненными чистой водой. С другой стороны,
тот факт, что результаты опытов, обозначенных номерами 6 и 8, в ко-
торых определялось истинное поглощение суспензии клеток Chlorella,
совпали с результатами опыта 7, в котором измерялось пропускание
подобной суспензии, нельзя объяснить тем же способом. Точно так же,
когда речь идет о спектре листа, вовсе не очевидно, почему диффуз-
ное рассеяние должно давать кривые пропускания 1g (То/Т) (их полу-
чают путем сравнения зеленых и бесцветных разновидностей), харак-
теризующиеся высокой оптической плотностью в области слабого
поглощения пигментов, например зеленой и крайней красной.
Если, например, допустить [82], что ослабление светового пучка,
прошедшего через зеленый лист, можно представить следующим выра-
жением:
Т=1- 10-(К’а*+а*’,	(22.9)
где К—коэффициент пропорциональности, эквивалентный произведе-
нию (концентрация X толщина поглощающего слоя) в законе Бэра,
и о—коэффициент рассеяния, и предположить также, что соответствую-
щее выражение для белого листа будет иметь вид
То = /-10“^,	(22.9а)
то для кривой пропускания мы получим
lg(7'o/n = -/<«x-	(22.10)
Другими словами, кривая пропускания должна полностью следо-
вать, за исключением коэффициента пропорциональности К, истинной
кривой поглощения пигментов клетки. Если нанести кривые в полулога-
рифмической шкале, т. е. откладывая	в функции А, кри-
вые рассеивающих и нерассеивающих образцов должны идти парал-
лельно.
Если это было бы справедливо, то отношения табл. 19, выведен-
ные из кривых пропускания 1g (То/Т), не зависели бы от рассеяния.
Более детальное рассмотрение показывает, каким образом рассеяние
может искажать кривые поглощения так, как это наблюдается. Это
Таблица 19
ОТНОШЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПЛОТНОСТЕЙ В КРАСНОМ МАКСИМУМЕ, ЗЕЛЕНОМ МИНИМУМЕ И ФИОЛЕТОВОМ
МАКСИМУМЕ
Материал	Система	№ фигуры	Отношения		Использованные величины 1)	Ссылка на литературу
			зеленый/крас- ный	фиолето- вый/красный		
	1. Хлорофилл а в эфи- ре		1	0,01	1,35		[87]
Растворы	2. Хлорофилл (а + &)+ + каротиноиды в эфире 		96	0,05	1,75	То же	[78]
	2а. Пигменты диатомо- вых водорослей в метаноле и петролей- ном эфире 		—	0,12	3,0	В	»	[ЮО]
	3. Хлорофилл (а + Ь), коллоидный раствор	31	0,29	1,62	»	п	[82]
Коллоиды	4. Водная суспензия бе- лок-пигмента (из шпи- ната) 		33, л	0,25	1,66	»	и	[86]
Коллоиды	5. Водный раствор бе- лок-пигмента в диги- тоиине 	 5а. Пигменты диатомо- вых водорослей в вод- ной суспензии ....	33, Б	0,13 0,63	1,60 2,0	И	» я	я	[86] [ЮО]
	6. Chlorella, суспензия	68	0,33	—	1g (7/S)	[81]
	7. То же		69	0,28	1,40	1g (7Ъ/Г)	[88]
		91				
	8. Monostroma, слое- вище 		65	0,29	1,55	1g (7/5)	[70]
Водоросли	8 а. Chroococcus, сус- пензия 		97	0,4 2)	1,36	1g (7Ъ/Г)	[92]
	86. Nltzschia disslpata, суспензия 		—	0,50	1,5	То же	[ЮО]
	8в. Noviciila minima, суспензия 		—	0,50	1,34	я	я	[Ю4]
	8г. То же в глицерине	—	0,37	1,36	я я	[Ю4]
	9. Fatsia		60	0,41	1,01	»	я	[82]
Листья	10. Pelargonium ....	59	0,63	1,19	ig WS)	[69]
	11. Hibiscus (светлозе- леные листья) ....	61	0,57	0,89	1g (Го/Т)	[90]
*) Z—падающий поток, Т—пропущенный поток, 3—рассеянный поток по всем направлениям, включая направление потока Т [см. формулу (22.8)] *
Поглощение фикоцианина.
120
Глава XXII
можно показать при помощи разобранного на стр. 82 простого при-
мера о последовательных отражениях в плоско-параллельной абсорб-
ционной кювете. Формула, обычно применяемая для вычисления коэф-
фициента поглощения а, имеет следующий вид:
« = (^-)lg(7'oM	(22.11)
где d — толщина абсорбционной кюветы, а Г и Та—потоки, проходя-
щие соответственно через раствор и чистый растворитель. Эта фор-
мула была приведена на стр. 83 в качестве первого приближения,
без учета разного коэффициента отражения обеих кювет. Как отме-
чалось на стр. 83, точные выражения для Т и То можно получить
путем суммирования бесконечных рядов. Эта операция приводит к сле-
дующему соотношению:
7-=7-о.1О--(1_1-Д,| )	(22.12)
и отсюда
1	Г. То	, /	1 — r2io"w	VI
а а у	’g (	]__r2	у]’	(22.13)
Так как выражение в круглых скобках > 1, формула (22.13) пока-
зывает, что значение а, вычисленное обычным путем из (22.11), будет
слишком велико и что относительная ошибка возрастает с умень-
шением поглощения. Если г —0,1 и 7'0/7'= 1,01, т. е. поглощение
составляет только 1%, то ошибка в определении а будет соста-
влять 2%. В большинстве измерений такой ошибкой можно прене-
бречь. Однако для нас важно, что величина относительной ошибки
зависит от значения а и поэтому изменяется с длиной волны. Дру-
гими словами, это приводит к искажению кривой пропускания. Ха-
рактер этого искажения — возрастание кажущихся значений а для всех
длин волн и в особенности для тех областей, где истинный коэф-
фициент поглощения мал — сохраняется и в рассеивающих средах,
где, однако, сам эффект проявляется гораздо резче, чем в плоскопа-
раллельных кюветах, наполненных прозрачными веществами.
Уменьшение селективности при рассеянии может быть даже более
резко выражено в спектрах поглощения, \g(I{S), чем в спектрах про-
пускания, ig(T0/T). Излучения, которые должны были бы слабо по-
глотиться при прямом прохождении через лист (например, зеленые или
крайние красные лучи), поглощаются более сильно, когда их оптиче-
ские пути в листе возрастают вследствие рассеяния. И, наоборот,
определенная доля излучения, которая должна была бы почти полно-
стью поглотиться, если бы лучи прошли прямо через лист (например,
сине-фиолетовые или красные лучи), может избегнуть этого посред-
ством диффузных отражений, которые укорачивают оптический путь
в листе. Поэтому при нанесении lg (//S) в зависимости от А. для рас-
сеивающего вещества мы должны обнаружить, что не только впадины
Поглощение света пигментами в живой клетке
121
кривой будут менее глубокими, но и пики понизятся по сравнению
с подобной кривой, построенной для нерассеивающей системы.
Это качественное объяснение влияния рассеяния на селективное
пропускание или поглощение можно заменить точным анализом, если
система удовлетворяет определенным условиям, например беспорядоч-
ному распределению рассеивающих центров, и — в простейшей форме
теории — равной вероятности рассеяния во всех направлениях.
Формулы для комбинации поглощения и рассеяния в системах
этого типа были получены несколькими авторами, из которых мы
упомянем здесь Вюрмзера [91], Дэнтли [93, 98] и Саундерсона [94].
На фиг. 85 воспроизведена номограмма, построенная Дэнтли [93].
На этой номограмме абсциссами служат выражения (/?' P')IQ' и
ординатами — выражения 1g (O'/Т'), отношение которых к коэффи-
циенту поглощения (на единицу пути) а и коэффициенту рассеяния
(на единицу пути) а показано на номограмме (фиг. 85):
R> + Р> _	ad sin h Kd
Q' ~ (ad + ad) sin hKd + Kd cos hKd’
. 1 I i /у I (ad ad) sin hKd Kd cos h Kd ,
‘S yv i >g V 'g	>
(22.14)
(22.15)
KdjK^V o.d(ad+2<ad),	(22.16)
где d—толщина измеряемого слоя, а постоянные P' и Q' характеризуют
асимметричность рассеяния.
Если рассеяние изотропно и падающий, прошедший и отраженный
свет вполне диффузен, то Р' = 0 и Q' = 1 и абсциссами на фиг. 85
будут просто коэффициенты отражения, в то время как ординатами
явятся измеренные оптические плотности (логарифмы величины,
обратной пропускаемое™). Номограмма остается приблизительно
правильной также и в том случае, когда падающий свет параллелен,
если только отраженный и пропущенный свет вполне диффузны (см.
стр. 85). При этом условии, если измерены коэффициент отражения
и коэффициент пропускания, то по графику можно найти коэффи-
циент поглощения а и коэффициент рассеяния а.
Другой метод определения обоих коэффициентов был описан
Саундерсоном [94]. Он требует двух измерений отражения: одного
в тонком слое и другого в слое «бесконечной толщины», т. е.
практически имеющем нулевое пропускание.
Вюрмзер [91] предлагает для определения коэффициентов
поглощения и рассеяния использовать измерения пропускания с двумя
слоями различной оптической плотности и дает пример номограммы
для двух определенных толщин кюветы (0,035 и 0,1 см). Однако
он при этом не указывает, что его формула с двумя постоянными
122
Глава XXII
справедлива лишь в том случае, если оба слоя рассеивают так, что
проходящий свет будет вполне диффузным.
Тр/Т = cosМ]/«(«-}-о)-ф- -2a2(a\^gg) sin hd Vя(а + 0)' (22.17)
Операции этого типа приложимы с большой степенью точности
к суспензиями клеток, и желательно, чтобы в дальнейшем при
Ф и г. 85. Номограмма для определения коэффициентов поглощения и рас-
сеяния в мутной среде для измерений диффузного отражения и пропу-
скания [93].
исследованиях спектров подобных систем эти возможности были бы
использованы. Номограммы Дэнтли применимы также к листьям
или слоевищам, но только нужно помнить, что статистическая теория
имеет дело с беспорядочным распределением большого числа малых
окрашенных частиц и поэтому не принимает во внимание «эффекта
Поглощение света пигментами в живой клетке
123
проскока», который может иметь место при правильном расположении
сравнительно больших хлоропластов. Результатом этого эффекта
является примесь белого света к пропущенному, т. е. уменьшение
поглощения при всех длинах волн. При определении кажущегося"
коэффициента поглощения это уменьшение должно сказываться
в наибольшей степени на пиках поглощения и меньше влиять в обла-
стях низкого поглощения; тем самым это должно приводить к меньшей
селективности поглощения.
Фиг. 86. Номограмма для вычисления коэффициентов
поглощения и рассеяния в мутных средах из двух опре-
делений пропускания [91].
«Эффект проскока» ничтожно мал у суспензий Chlorella, так как
клетки в такой суспензии, в отличие от хлоропластов в листе, рас-
пределены беспорядочно. В суспензиях, использованных в опытах
Ноддака и Эйхгофа, содержалось около 1 • 107 клеток в 1 мл
в плоскопараллельном сосуде толщиной 3,9 см. Средний диаметр
клеток Chlorella составляет примерно 5 ц и средняя площадь сечения —
примерно 10~7 ел2, так что 4-107'клеток должны покрывать по-
верхность 1 сл2 восемью слоями. Статистические расчеты показывают,
что вероятность прохождения луча без встречи хотя бы с одной
клеткой в этом растворе составляет е-8 = 0,0003 и поэтому может
не приниматься во внимание.
Согласно данным, приведенным на стр. 91, число хлоропластов
в зеленом листе достаточно для того, чтобы образовать 5 или 10
непрерывных слоев; статистическая вероятность того, что луч пройдет
124
Гл as а ХХП
между всеми хлоропластами, распределенными беспорядочно, составляет
среднее между 2 • 10-8 и 5 • 10~6. Следовательно, если бы распре-
деление хлоропластов было беспорядочным, то «эффект проскока»
был бы очень мал. Однако этот эффект может стать ощутимым,
если расположение хлоропластов отличается большой правильностью.
Результаты Шандерля и Кемпферта [68] (табл. 13) указывают, какой
степени совершенства достигла природа в осуществлении этой
регулировки. В очень молодых или тонких тканях «эффект проскока»
значителен, даже если хлоропласты и не расположены правильно.
Мейер [82] упоминает, что он не мог измерить спектры поглощения
рассады Tradescantia и овса потому, что «хлорофилл в этих растениях
был так гранулирован, что они казались в проходящем свете не зеле-
ными, а пятнистыми, состоящими из черных и белых пятен».
Один из способов рассмотрения «эффекта проскока» заключается
в том, что рассматривают взаимное «затенение» молекул в каждой
окрашенной частице, которое не дает возможности проявиться их
полной поглотительной способности. Это наложение, очевидно, не
может быть эффективным, если только свет не будет уже заметно
ослаблен при прохождении через одну частицу. Это условие выпол-
няется в хлоропластах, так как в пиках полос поглощения хлорофилла
отдельные хлоропласты поглощают более 50% падающего света
(см. стр. 91).
До тех пор пока количественные методы изучения не найдут дей-
ствительно систематического применения в исследовании суспензий
клеток (если не в исследовании листьев и слоевищ), вопрос об истинной
природе изменений полос поглощения в спектрах живых растений
остается открытым. Некоторые качественные показатели говорят о
том, что подобные изменения имеют место, но ни один из них не
является вполне достоверным. Показатели эти — увеличенное погло-
щение в крайней красной и ближней инфракрасной областях (см.
стр. 61), уменьшенное поглощение в максимуме красной полосы и
сравнительно слабое поглощение в сине-фиолетовой области.
Повышенное поглощение в крайней красной области имеет
место не только в листьях (см., например, фиг. 62), но также и в су-
спензиях Chlorella и Chroococcus (см. фиг. 68—70) и в водных
суспензиях белковопигментного комплекса (см. фиг. 33, А). В опытах
Смита [86] этот избыток поглощения исчезал при добавлении детер-
гента дигитонина (ср. фиг. 33, А и Б); поэтому Смит приписывает
это повышенное поглощение рассеянию. Различия, которые могут
быть объяснены таким же образом, отмечены Рабидо, Френчем
и Хольтом [99] между спектрами пропускания и поглощения хлоро-
пластина, диспергированного при помощи ультразвуковых волн (см.
фиг. 62). Однако, как упоминалось раньше, сильно повышенное
поглощение в крайней красной области у живых клеток Chlorella
заметно также на кривых Ноддака и Эйхгофа (см. фиг. 68), причем
это поглощение (если только интегрирующий прибор действовал так.
Поглощение света пигментами в живой клетке
125
как должно) не может быть связано с рассеянием, как это пред-
полагал Смит. Правда рассеяние, меняя среднюю длину пути света
в среде (см. стр. 117), должно было бы также влиять на спектр
поглощения (lg (1/S) как функция длины волн (см. фиг. 68)). Тем не
менее кажется невероятным, чтобы путь света в суспензии Chlorella
настолько удлинился рассеянием, чтобы заменить почти полную
прозрачность экстракта пигмента у 800 мр поглощением, превы-
шающим Ю°/о. Если результаты Ноддака и Эйхгофа правильны
(в чем нет полной уверенности), мы вынуждены заключить, что
расширение поглощения хлорофилла в живых клетках в крайней
красной и инфракрасной областях следует признать истинным изме-
нением кривой поглощения зеленого пигмента. Можно заметить, что
кривая поглощения Chroococcus (Cyanophycea) (см. фиг. 97, Б),
вычисленная путем наложения кривых поглощения всех экстрагированных
пигментов, хотя и очень близка к кривой пропускания суспензии
живых клеток (вероятно, вследствие отсутствия хлоропластов и, сле-
довательно, уменьшения рассеяния), но, несмотря на это, также дает
увеличенное поглощение в крайней красной области.
Увеличенное поглощение в зеленой области, которое является
столь характерным свойством спектров листа, может быть, указывает
на истинное изменение спектра хлорофилла, а может быть обусловлено
и другими причинами. Кривая Chroococcus, о которой упоминалось
выше, не обнаруживает подобного эффекта. При интерпретации
поглощения в этой области, кроме рассеяния, нужно принимать во
внимание также и возможное присутствие в живых клетках прото-
хлорофилла, феофитина или других веществ, родственных хлорофиллу,
имеющих полосы поглощения в средней части видимого спектра.
Надо принять также во внимание возможное расширение полос
поглощения каротиноидов в сторону более длинных волн.
Уменьшение поглощения живых клеток в максимуме красной
полосы, показанное на фиг. 68 и 69, нельзя объяснить «эффектом
проскока», который очень мал в суспензиях клеток; диффузного от-
ражения также, вероятно, недостаточно для объяснения этого эффекта.
Поэтому некоторое сглаживание красной полосы может также рассма-
триваться, как характерная черта истинной кривой поглощения хло-
рофилла в живой клетке.
Табл. 19 показывает, что, как впервые было замечено в 1921 г.
Вюрмзером [60], отношение кажущегося поглощения в максимумах
сине-фиолетовой полосы и красной полосы имеет малое значение
в водорослях (1,5) и особенно в листьях (около 1,0), по сравнению
с тем, что дают экстракты пигментов (1,75). Сине-фиолетовые
лучи рассеиваются гораздо более сильно, чем красные, но этим
нельзя объяснить уменьшение их поглощения. Такой эффект был бы
понятен лишь в том случае, если бы диффузное отражение листьями
сине-фиолетового света было сильнее, чем отражение красного'света;
однако на кривых фиг. 59 и 80 этот эффект не обнаруживается.
126
Глава XXII
Сравнительно слабое поглощение сине-фиолетового света' растениями
становится еще менее объяснимым, если вспомнить, что присут-
ствующие в листьях водорастворимые желтые пигменты должны
усиливать поглощение в этой области.
Однако Зейбольд и Вейссвейлер [96, 97] опровергают утверждение
Ноддака и Эйхгофа (фиг. 68) о том, что живые клетки Chlorella
поглощают меньше, чем экстракт пигмента в области 550—680 лгр;
они нашли, что поглощение клеток было одинаковым с поглощением
экстракта в пиках полос и превышало его в остальных частях спектра.
Более слабое поглощение живых клеток, по сравнению с экстрак-
том пигмента в синей и фиолетовой областях спектра, было отмечено
Эмерсоном и Льюисом [92] также у сине-зеленой водоросли Chroococcas
(см. фиг. 97, Б), в которой почти не наблюдается рассеяния.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГЛОЩЕННОЙ ЭНЕРГИИ МЕЖДУ ПИГМЕНТАМИ
Знание распределения поглощенной световой энергии между различ-
ными пигментами очень важно для интерпретации квантового выхода
фотосинтеза и в особенности для понимания роли дополнительных
пигментов — каротиноидов и фикобилинов.
Эффект пространственного распределения пигментов
в клетке
Первым этапом в распределении поглощенной энергии является
отделение поглощения «фотосинтетическими» пигментами — хлоро-
филлами, каротиноидами и фикобилинами — от поглощения теми
пигментами, которые, вероятно, вовсе не имеют отношения к фото-
синтезу, как, например, флавоны и антоцианины. Этот вопрос уже
обсуждался на стр. 92; фиг. 57 иллюстрирует крайний случай
Листьев «пурпурной» разновидности, в которых значительная доля
падающего света, особенно в зеленой части, поглощается воднорас-
творимыми красными пигментами.
Присутствие пигментов этого типа усложняет дело не только
тем, что добавляются новые компоненты в сложном спектре поглоще-
ния, но также возникновением проблемы светофильтров. Вообще, что-
бы судить о распределении поглощенного света между различными
пигментами в области общего поглощения, необходимо знание не
только истинных кривых поглощения пигментов в том состоянии,
в котором они находятся в живых клетках, но также и знание их
микроскопического и субмикроскопического распределения. О фла-
вонах и антоцианинах точно известно, что их распределение отличается
от распределения хлорофилла; они концентрируются не в хлоропластах,
но в клеточных оболочках или в вакуолях, образуя как бы свето-
фильтры перед хлоропластами или между ними (см. вычисления
Ноддака и Эйхгофа [109]). В силу изложенного для количественного
Поглощение света пигментами в живой клетке	12?
изучения фотосинтеза особенно целесообразно пользоваться расте-
ниями, содержащими как можно меньше непластидных пигментов.
Даже если флавоны и антоцианины отсутствуют и в исследуемом
объекте не имеется тел, содержащих каротиноиды, то все же нельзя
быть уверенным, что субмикроскопическая структура пластид (см. т. I,
гл. XIV) такова, что все пигменты находятся в одинаковом положении
по отношению к поглощению света.
Можно надеяться, что исследования при помощи электронного
микроскопа и исследования оптических свойств пластид (двойное
лучепреломление, дихроизм и т. д.) смогут пролить свет на распре-
деление молекул в этих телах. В ожидании этих исследований все
оценки относительного участия отдельных пигментов в поглощении
света растениями должны основываться на допущении идентичного
пропорционального состава смеси пигментов в каждой точке клетки
или ткани.
Распределение поглощения в однородной смеси
Если предположить, что исследуемая смесь пигментов в клетке
или ткани имеет однородное строение, т. е. что смесь повсюду имеет
один и тот же относительный состав (но не одну и ту же абсолютную
концентрацию), то доля пигмента i в полном поглощении смеси для
данной длины волны А{ пропорциональна произведению где с{ —
концентрация, — коэффициент поглощения данного компонента:
А{ = А (с^^с^.	(22.18)
Каковы бы ни были длина и вид пути светового пучка в среде,
формула, (22.18) приложима к поглощению на каждом бесконечно
малом участке этого пути; поэтому она приложима также и к инте-
гральному поглощению независимо от рассеяния или других явлений
геометрической оптики.
Относительные концентрации с4 можно определить, например,
путем экстракции и фотометрической оценки; правильное значение
полного поглощения А (т. е. значение с поправкой на отражение
и рассеяние) можно определить для каждой длины волны при помощи
метода, изложенного в первом разделе настоящей главы. Поэтому
применение формулы (22.18) связано прежде всего с установлением
истинных коэффициентов поглощения всех пигментов в том состоянии,
в котором они находятся в клетке, и в этом-то и заключается
основная трудность.
Во втором разделе настоящей главы мы упоминали о статисти-
ческих теориях, приложение которых позволяет определить средние
коэффициенты поглощения смеси пигментов из измерений пропускания
и отражения (или из двух измерений отражения, или из двух изме-
рений пропускания при различных оптических плотностях). На фиг. 85
и 86 приведены образцы номограмм, которые можно применить для
128
Глава XXIt
этих целей в случае вполне диффузного пропущенного и отраженного
света; можно думать, что эти или какие-либо аналогичные теории
будут использоваться в будущем при оптических исследованиях
суспензий клеток, листьев или водорослей.
Определение средней кривой поглощения смеси пигментов еще
не даст нам желаемых сведений о кривых поглощения индивидуаль-
ных пигментов, однако это уже будет некоторым шагом в правильном
направлении; отдельные участки этой средней кривой поглощения
будут относиться к одному пигменту или к небольшой группе связан-
ных веществ (например, участок выше 550 лр в зеленых растениях
связан с хлорофиллами а и Ь, а в бурых водорослях—с хлоро-
филлами а и с). Обнаруживая на этих участках определенные изме-
нения в форме полос поглощения, мы можем, по аналогии, предпо-
лагать, что такие же изменения имеют место и для полос тех же
пигментов в областях сложного поглощения. Однако различная
поляризуемость молекулы в различных электронных состояниях
и возможность резонансных эффектов между молекулами с пере-
крывающимися полосами поглощения требуют осторожности в исполь-
зовании подобных аналогий. Можно надеяться, что, получая истинные
кривые поглощения клеток или пластид с различным содержанием
отдельных пигментов, мы будем накоплять материал, анализ которого
приведет к определению кривых поглощения отдельных слагающих.
Здесь также выводы необходимо делать с большой осторожностью
по причине резонансных явлений, которые могут нарушать простую
аддитивность коэффициентов поглощения.
В свете этих соображений все попытки, предпринятые до сих пор
для установления распределения поглощенной растением световой
энергии между пигментами, можно рассматривать как первые грубые
приближения. В некоторых подобных исследованиях анализ производился
целиком на основе сравнения спектров экстрактов со спектрами
растворов отдельных пигментов. В других некоторое усовершенство-
вание было достигнуто путем допущения, что все полосы сдвинуты
in vivo на одну и ту же величину, без изменения формы. В третьей
группе исследований анализ был еще более уточнен допущением
индивидуальных значений сдвигов полос различных пигментов; однако
возможные изменения формы полос все еще не были при этом приняты
во внимание.
Поглощение хлорофиллов а, Ь, с и d
Все поглощение света хлорофильными растениями или органами
этих растений при длинах волн больше 550 мр может быть при-
писано хлорофиллу. Исключением являются красные и синие водо-
росли, фикобилины которых поглощают вплоть до 650 или 700 .ир
(см. фиг. 46 и 47), и пурпурные бактерии, содержащие каротиноиды
с максимумом поглощения у 550—570 мц (см. фиг. 74 и табл. 11).
Поглощение света пигментами в живой клетке
129
До настоящего времени не было сделано серьезных попыток оце-
нить распределение поглощения между хлорофиллами а и Ь. Неко-
торое понятие об этом распределении в экстракте из зеленой водо-
росли дано Монфортом (фиг. 87). Надо отметить, что абсциссами
на этом и на других рисунках Монфорта и Зейбольда служат абсо-
лютные значения поглощения в каждом отдельном растворе, а не
проценты полного поглощения смеси и поэтому при складывании они
не составляют 100. Кривые фиг. 87 слишком грубы, чтобы выявить
возрастающую долю участия хлорофилла b в области максимума его
красной полосы, однако они ясно показывают подобный эффект в
Фиг. 87. Поглощение экстрактов пигментов из
зеленой водоросли Ulva lactuca [ПО].
Z—все пигменты; II—.хлорофилл а плюс хлорофилл b; III—ка-
ротинолы; IV—хлорофилл b; V—хлорофилл а; VI—каротины.
синем, между 450 и 530 мр, где поглощение компонента b почти в 5 раз
сильнее поглощения хлорофилла а.
Гораздо более точные измерения были сделаны Стрейном и Мэн-
нингом [113] со смесью хлорофиллов (а-]-с), экстрагированных из
диатомовых водорослей [113], и с хлорофиллами (a-]-d) из красных
водорослей [116]. Фиг. 88 и 89 показывают, что на долю хлоро-
филла с (хлорофуцина) приходится около 90% всего поглощения
хлорофилла у 570 лф, тогда как хлорофилл d дает 60% всего погло-
щения у 470 мр и 90% — у 710 мр.
Эти цифры получены для метанольных экстрактов. Относительные
роли компонентов хлорофилла в поглощении света in vivo не выяс-
нены. Для хлорофилла b недостаточно точно известно даже положе-
ние его красного пика поглощения (см. стр. 108). Предполагалось
(см. стр. 16), что чередование максимумов поглощения хлорофил-
лов а и Ь в красном, оранжевом и желтом, лучше всего заметное
9 Зак. 4040. Е. Рабинович
130
Глава XXII
на фиг. 1, А и Б, может быть, является средством для достижения
более эффективного поглощения света во всей этой области; но все
эти полосы так расширены в спектрах поглощения листьев, что ка-
жется сомнительным, чтобы поглощение натуральной смеси (а-{-/>)
при длинах Фолн больше 550 му. заметно отличалось от поглощения
каждого из обоих компонентов, взятых отдельно в эквивалентных
концентрациях (ниже 550 му. положение будет иным). Область пре-
валирующего ^поглощения компонента 6, которую мы отмечаем в
Фиг. 88. Поглощение света хлоро-
фуцином (хлорофилл с), в процентах
от полного поглощения, в метаноль-
ном экстракте из диатомовых водо-
рослей [113].
Фиг. 89. Участие в поглощении
света хлорофиллов а и d в метаноль-
ном экстракте из Erythrophyllum
delesserioides [116].
Поглощение красными и желтыми пигментами
не учтено.
экстракте у 450—530 лгр. (см. фиг. 87), по всей вероятности, имеется
также и в живых зеленых клетках. Вследствие «красного смещения»
эта область может простираться in vivo от 460 до 540 му.. В этой
области присутствие хлорофилла b может иметь большое значение
с точки зрения увеличения поглощения света у зеленых листьев и
водорослей.
Поглощение каротиноидов у зеленых растений
Распределение света между хлорофиллами и желтыми каротинои-
дами зеленых растений в области ниже 550 му. обсуждалось неодно-
кратно. Первая оценка была дана Варбургом и Негелейном [106].
В своих расчетах квантового выхода фотосинтеза, работая со спект-
рами экстрактов (см. гл. XXIX), они нашли, что на долю каротинои-
дов Chlorella приходится 30% всего поглощенного света в области
436 му..
Поглощение света пигментами в живой, клетке
131
На фиг. 90 показаны результаты первой более подрдбной оценки
Зейбольда [107], основанной на спектральных измерениях экстракта
из листьев Phaseolus vulgaris. На фиг. 87 приведены подобные дан-
ные для многоклеточной зеленой водоросли Ulva lactuca. Поглощение
каротина и каротинолов, так же как хлорофиллов (а-]-/>), а и Ь, пред-
ставлено раздельно. Обе фигуры показывают, что поглощение каро-
тиноидов становится ощутимым лишь в области ниже 530 .ии. в рас-
творителях с низкой поляризуемостью и ниже 570 жи.— в сероугле-
роде. Наибольший процент участия каротиноидов в общем поглощении
показан между 450 и 520 мр
в метаноле и до 550 мр — в
сероуглероде.
Значительно более точ-
ный анализ дан Эмерсоном
и Льюисом [112, 114, 115].
Они измерили пропускание
суспензии Chlorella, спект-
ры цельного экстракта пиг-
ментов и отдельных пигмен-
тов; результаты их даны на
фиг. 91 и 92. Фиг. 91, на
Фиг. 90. Поглощение всех пигментов,
экстрагированных метанолом нз листьев
Phaseolus vulgarts (с площади 100 см2),
по сравнению с поглощением экстракта
хлорофиллов («4-6) в метаноле и каро-
тиноидов—в метаноле и сероуглероде [131].
Z—смесь всех пигментов из листьев Phaseolus
vulgaris', II—смесь хлорофиллов а и Ъ',1П—экстракт
каротиноидов в метаноле; IV—экстракт каротиноидов
в сероуглероде.
которой представлено погло-
щение экстракта, показы-
вает, что в этаноле поглоще-
ние каротиноидов Chlorella
становится заметным ниже
520 мц и составляет около
50% всего поглощения между
500 и 450ми; ниже 450 ми по-
глощение хлорофиллов опять
начинает превалировать.
На фиг. 92 представлена попытка Эмерсона и Льюиса интерпре-
тировать условия в живых клетках. Наряду со спектром поглощения
неповрежденных клеток на фигуре показан также спектр поглощения
пигментов, полученный путем смещения полос хлорофилла, взятых
из фиг. 91, выше 550 ж и. на 10 ми (к красному концу спектра)
и ниже 580 ми на 6 ми*; полосы каротиноидов, взятые из фиг. 91,
сдвинуты на 14 ми.
Два излома на кривой неповрежденных клеток соответствуют точ-
кам, в которых суспензия клеток перемешивалась и менялись фильтры
в монохроматоре. Пунктирной кривой показана доля всего поглощен-
ного света, которая относится к поглощению каротиноидов; эта кри-
вая получена из спектров экстрактов после сдвига по длинам волн.
* Значения для хлорофилла могут быть немного низки (см. стр. ИЗ).
9*
132
Глава XXII
Различие между сложной кривой поглощения для суммы пигментов
и гораздо более диффузной кривой пропускания суспензий клеток
может быть частично обусловлено рассеянием, а частично — действи-
тельным изменением формы полос (см. второй раздел этой главы).
Теоретическая обработка, как указывалось на стр. 117—124, могла
бы снять эффект рассеяния и более четко выявить существенные из-
менения в спектрах пигментов; однако авторы не попытались принять
Длина волны, мр
Фиг. 91. Спектры поглощения эта-
нольных растворов пигментов, экст-
рагированных количественно из кле-
ток Chlorella [115].
7—экстракт всех пигментов в этаноле; II—
хлорофилл (кривая получена путем вычита-
ния); III—каротиноиды (в этаноле, после омы-
ления и удаления хлорофилла).
Для к > 520 жр спектр хлорофильной фракции
совпадает со спектром полного экстракта.
Фиг. 92. Сравнение спектров погло*
щения экстрагированных пигментов
(сдвинутых, как указано в тексте) и
неповрежденных клеток Chlorella
[П5].
I—суспензии клеток; II—экстрагированные
пигменты; III—относительное поглощение ка-
ротиноидов. Спектр клеток определялся в слое
суспензии толщиной 1,4 см, содержащем
0,96 мм? клеток в 1 мл.
во внимание рассеяние и вычислили долю поглощения каротиноидов
просто из сравнения кривых поглощения комбинированных экстрактов
(см. фиг. 92) с кривыми отдельных экстрактов (см. фиг. 91) на
основании соответствующего «красного смещения» последних. На
пунктирной кривой видно, что поглощение каротиноидов у 520 жи.
составляет 40%, имеет максимум (75%) у 500 му. и вторичный мак-
симум (55%) у 460 му. и падает до 25% ниже 440 лр. Согласно
этим данным, каротиноиды играют значительную роль в общем погло-
щении пластидных пигментов Chlorella ниже 530 му..
Поглощение каротиноидов у бурых водорослей
Бурые водоросли, так же как и диатомовые, не содержат хлоро-
филла b и поэтому должны были бы (см. стр. 130) пропускать более
свободно в области 460—540 му. по сравнению с зелеными растениями.
В действительности же, как показывает их цвет, они поглощают зна-
чительные количества зеленого света (510—570 жр)— гораздо больше,
Поглощение света пигментами в живой клетке
133
чем зеленые клетки, что можно отнести за счет присутствия специ-
фического каротиноида — фукоксантола. Если кривая, показанная
на фиг. 41, правильна и спектр поглощения фукоксантола
в растворе не заходит в сторону длинных волн дальше, чем спектр
лютеола, т. е. немного за пределы 510 му, то коричневый цвет может
быть обусловлен фукоксантолом только при условии, что полосы
поглощения очень сильно сдвинуты в длинноволновую сторону или
сильно расширены в эту сторону. Как указывалось на стр. 114,
Фиг. 93. Поглощение пигментов,
экстрагированных из бурой водо-
росли Fucus vesiculosus (светолюби-
вая форма) [110].
Г—все пигменты; II—все каротинолы; III—
хлорофилл a; IV—фукоксантол; V— каротины.
Фиг. 94. Поглощение пигментов,
экстрагированных из бурой водо-
росли Laminaria digitata (с глубины
12 м) [110].
Г—все пигменты; II—фукоксантол; Я/—дру-
гие каротинолы; ZV—хлорофилл а\ V—каро-
тины.
Менке действительно обнаружил, что пики поглощения фукоксантола
в живых клетках Laminaria расположены у 499 и 545 му вместо
457 и 492 му в растворе этанола (см. табл. И). В попытках анализа
поглощения бурых водорослей, описанных ниже, не принята во вни-
мание возможность такого значительного сдвига, не говоря уже
о каких-либо изменениях в ширине полос.
В гл. XXI мы упоминали о более поздних измерениях кривой экстинк-
ции фукоксантола в гексане, где была найдена сильно расширенная
полоса, простирающаяся до или даже за 530 му (см. фиг. 43).
На фиг. 93 и 94 дан анализ поглощения света экстрактами пиг-
ментов из бурых водорослей. Мы приводим здесь эти кривые, не-
смотря на их приближенный характер, для иллюстрации того, как
изменяется относительная роль фукоксантола при сравнении свето-
любивых поверхностных форм бурых водорослей с тенелюбивыми
формами тех же водорослей, которые живут на значительной глубине.
У тенелюбивых фукоксантол обусловливает почти все поглощение
экстракта в области 450—540 му, тогда как у светолюбивых форм
значение его выражено несравненно слабее. Зейбольд и Монфорт об-
суждали эти результаты с точки зрения увеличения поглощения света
134
Глава XXII
в спектральных интервалах 550—500 и 500—450 ми., которое обу-
словливается присутствием каротиноидов. Табл. 20 показывает, что
в экстрактах из зеленых листьев и зеленых водорослей присутствие
каротиноидов увеличивает это поглощение на 40—60% в области
500—550 яр и на 30% в области 450—500 яр. У бурых и диато-
мовых водорослей возрастание поглощения, обусловленное каротинои-
дами, гораздо больше и составляет 160—400%, что объясняется
отсутствием хлорофилла b и наличием фукоксантола. Эти два пиг-
мента заменяют друг друга, несмотря на их различия в цвете.
Таблица 20
ОТНОШЕНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫМИ ПИГМЕНТАМИ В МЕТАНОЛЕ
ИЛИ БЕНЗОЛЕ К ПОГЛОЩЕНИЮ ВСЕМИ ПИГМЕНТАМИ В МЕТАНОЛЕ
(по Монфорту [ПО])
Организмы	550—500 ,ир.			500—400 -ир.			
	хлорофилл в метаноле	каротинолы в метаноле (включая 1 фукоксантол)		хлорофилл в метаноле	; каротинолы , в метаноле (включая фукоксантол)	каротин в бен- золе 1 _	ох
Диатомовые водоросли . . Phaeophyceae	0,34	0,40 2)	3	0,20	0,82	0,24	5
Laminaria digitata с глу- бины 12 я Fucus vesiculatus с по-	0,38	0,692)	2,6	0,32	0,93	0,33	3,1
верхности 	 Chlorophyceae	0,24	0,80 (0,33)2)	4,2	0,22	0,91 (0,47) 2)	0,30	4,5
UIva lactuca	 Листья	0,73’)	0,34	1,37	0,75 з) (0,19)Э	0,56	0,25	1,33
Phaseolus vulgaris 5)	—	—	1,6	—	—	—	1,3
х) 3 —множитель, на который нужно умножить полное поглощение в присутствии кароти-
ноидов.
2) Один фукоксантол.
3) Хлорофилл (а + Ь).
4) Один хлорофилл а.
“) Листья этого вида содержат значительное количество растворимых в воде желтых пиг-
ментов (см. стр. 92).
Значительно более детальный анализ поглощения пигментами ди-
атомовых водорослей выполнен Дэттоном и Мэннингом [111]. Их ре-
зультаты, воспроизведенные на фиг. 95, базируются на спектральных
измерениях ацетоновых экстрактов пигментов из Nitzschia closterium.
Дэттон и Мэннинг при построении своих диаграмм допустили, что
все полосы поглощения как хлорофилла, так и каротиноидов сдвинуты
на 20 яр. Они основывают свое допущение на том, что в спектре
Поглощение света пигментами в живой клетке
135
этих диатомовых водорослей максимум красной полосы хлорофилла
отмечается у 680 мр; максимум сине-фиолетовой полосы, хотя и не
различим в спектре клеток, но обнаруживается в спектрах экстрак-
тов желчной соли, причем появляется со смещением приблизительно
Фиг. 95. Распределение поглощения в ацето-
новом экстракте из Nltzschia closterium [111].
Нижняя кривая — хлорофилл а; средняя кривая—хлоро-
филл а плюс каротиноиды без фукоксантола; верхняя кри-
вая— все пигменты. Разной штриховкой показано погло-
щение соответствующих пигментов.
на ту же величину, а именно на 15 мр. Мы знаем, однако, что сине-
фиолетовая полоса хлорофилла сдвинута приблизительно на тот же
интервал, как и красная полоса в шкале частот (но не длин волн),
и что полосы каротиноидов, особенно полосы фукоксантола, вероятно,
сдвинуты значительно дальше, чем полосы хлорофилла; поэтому дан-
ные фиг. 95 должны содержать значительные ошибки. Поглощение
фукоксантола выше 500 мр должно быть, вероятно, значительно
больше, чем здесь указано, и, следовательно, все поглощение в этой
136
Глава XXII
области должно быть также соответственно больше (кривые фиг. 95
соответствуют скорее зеленой, чем коричневой смеси!).
Еще более подробный анализ спектра диатомовой водоросли Navi-
cula minima был предпринят Танадой [117]. Последовательно экстра-
гируя пигменты водными растворами метанола разной концентрации,
он получил следующие данные для «красных смещений» в сине-
фиолетовой области (по сравнению с метанольным раствором): хлоро-
филл а — 8 яр, хлорофилл с — 20 яр, фукоксантол — 40 яр, прочие
Фиг. 96. Влияние растворителя на спектр поглощения пигментов из листьев
ячменя [108].
Л. В этаноле. Б. В эфире, /—все эфирорастворимые пигменты; //—хлорофиллы а и Ь.
III—каротиноиды.
Коэффициент поглощения а определялся для 1 а свежих листьев в 1 л раствора.
каротиноиды — 20 яр. Сравнение спектра клеток с «суммарным»
спектром пигментов можно найти на фиг. 248.
Фиг. 96 показывает, насколько различную картину можно полу-
чить, основываясь на сдвиге полос нескольких пигментов, и с какой
осторожностью следует подходить к подобного рода заключениям.
На фигуре изображены кривые поглощения экстрактов из листьев
ячменя в этаноле и эфире и соответствующие кривые для разделен-
ных желтых и зеленых пигментов в том же растворителе. В эфире
до 90°/о всего поглощения в области 470—500 яр падает на долю
желтых пигментов и менее 1О°/о поглощается хлорофиллом; в спирте
зеленые пигменты обусловливают почти половину всего поглощения
Поглощение света пигментами в живой клетке
137
в этой области. Такая разница связана с тем, что переход от эфира
к этанолу вызывает более сильное смещение полос у более поляр-
ного пигмента, хлорофилла, и значительно меньшее смещение — у ме-
нее полярных каротиноидов (соответственно 11 и 5 мр вместо 1 и
4 .ир-).
Поглощение каротиноидов и фикобилинов у сине-зеленых
водорослей
Эмерсон и Льюис [115] анализировали поглощение пигментов сине-
зеленой водоросли Chroococcus тем же способом, какой был описан
400 440 480 520 560 600 640 680 - 400 440 480 520 560 600 640 680 720
Длина волны, мр
Длина волны, мр
Водный экстракт
Фиг. 97. Анализ спектра синей водоросли Chroococcus [115].
X. Спектры поглощения экстрагированных пигментов в этаноле и фикоцианина в воде: I—рас-
творимые в спиртах пигменты; II—хлорофилл; 111—каротиноиды; IV— фикоцианин; V—фико-
цианин по Сведоергу. Б. Спектры поглощения неповрежденных клеток (1,26 лмг3 клеток в 1 мл,
толщина слоя 1,4 см), комбинированных экстрактов (получено из А путем смещения полос, как
описано в тексте) и водного экстракта, содержащего все пигменты: /—неповрежденные клетки;
II—комбинированные экстракты; ///—водный экстракт (кривая имеет измененную форму, что
указывает на изменение фикоцианин-белкового комплекса при экстрагировании).
выше для Chlorella. На фиг. 97, А представлено поглощение спир-
тового экстракта, содержащего хлорофилл и каротиноиды, и водного
экстракта, содержащего комплекс фикоцианин — белок. Разделение
областей поглощения здесь значительно более ясно, чем в зеленых
растениях: выше 650 мр поглощение обусловливается главным обра-
зом хлорофиллом, между 530 и 640 мр — фикоцианином и между 460
и 510 мр — каротиноидами (так как хлорофилл b отсутствует). Ниже
440 мр хлорофилл опять начинает играть главную роль.
На фиг. 97, Б представлена попытка воспроизвести условия,
свойственные живой клетке. Полосы хлорофилла и каротиноидов
сдвинуты, как это было сделано при анализе поглощения Chlorella:
138
Глава XXII
первые на 10 му. в красной и на 6 му. в синей и фиолетовой об-
ластях, вторые на 14 Лу.. Полоса фикоцианина смещена на 6 мр по
отношению к ее положению в водном экстракте. Предполагалось, что
извлечение хлорофилла и каротиноидов было полным, а экстрагиро-
вание фикоцианина сопровождалось известными потерями. На это
указывает тот факт, что пик поглощения у 620 Ли в экстракте был
значительно ниже, чём в спектре клеток (см. т. I, стр. 420 о труд-
ностях количественной экстракции фикобилинов). Поэтому при по-
строении кривой «комбинированного экстракта» на фиг. 97, Б кривая
фикоцианина была не только сдвинута, но и увеличена по высоте
(по отношению к кривой фиг. 97, А) так, чтобы пик фикоцианина
на этой кривой совпадал с со-
ответствующим пиком кривой
клеток.
Эмерсон и Льюис указы-
вают, что вычисленная кривая
поглощения и эмпирическая кри-
вая пропускания (см. фиг. 97)
согласуются в данном случае
гораздо лучше, чем в соответ-
ствующем построении для Chlo-
rella. Объяснение этого факта
Фиг. 98. Распределение поглощения
между пигментами клетки Chroococcus
(получено из фиг. 97. Л, и пунктирной
кривой фиг. 97, Б) [115].
Z—хлорофилл; ZZ—каротиноиды; III—фикоцианин.
авторы видят в отсутствии хло-
ропластов в Cyanophyceae, что
соответственно понижает рас-
сеяние. Остающиеся различия—
большее поглощение живых
клеток в далекой красной
области и более слабое поглощение в синей и фиолетовой
областях — возможно, указывают на важные изменения в истинном
спектре поглощения пигмента in vivo (см. второй раздел данной
главы). Кривая водного экстракта всех пигментов Chroococcus, также
представленная на фиг. 97, Б, может быть, отражает изменения, свя-
занные с отделением комплекса фикобилин — белок от хромопласти-
нового комплекса в целом.
Фиг. 98 показывает распределение поглощения в живых Cyano-
phyceae между тремя типами пигментов. Ясное разделение областей
поглощения, отмеченное выше для экстрактов из этих клеток, кажется
еще более отчетливым на этом рисунке. Это говорит о том, что си-
ние водоросли (а, может быть, также и красные) представляют особенно
благоприятный объект для изучения роли различных пигментов в фото-
синтетическом аппарате.
У пурпурных бактерий также можно найти благоприятные условия
для различения между поглощением бактериохлорофилла и каротинои-
дов, так как максимумы поглощения бактериохлорофилла располо-
жены в инфракрасной области. Фиг. 72 и 74 показывают чередование
Поглощение света пигментами в живой клетке
139
полос бактериохлорофилла и красных бактериальных каротиноидов
в области ниже 600 .ир.; наиболее сильные полосы в области 500 ми.
принадлежат каротиноидам. Как видно из данных фиг. 73, при срав-
нении спектра клетки со спектром экстрагированного зеленого пиг-
мента поглощение пурпурных бактерий выше 700 му. обусловлено
только бактериохлорофиллом.
Естественные световые поля
Значение разных пигментов в световом режиме растений нельзя
уяснить себе лишь на основе кривых, рассматриваемых в предыдущем
разделе, так как оно зависит также от спектрального состава света,
падающего на растение в естественных условиях.
Растения живут в «световом поле», характер которого зависит
от климатической зоны и ее естественной среды и меняется также
в зависимости от времени года, времени дня и метеорологических
условий. Для растения важны три характеристики естественных свето-
вых полей: их полная интенсивность, спектральный состав и перио-
дичность. Имеются убедительные доказательства того, что растения
приспосабливают свои жизненные процессы вообще и фотосинтети-
ческий аппарат в частности ко всем этим трем факторам. Приспосо-
бление к интенсивности проявляется в различном характере тенелю-
бивых и светолюбивых растений (теневые и солнечные растения);
приспособление к окраске света (хроматическая адаптация) наиболее
ярко иллюстрируется фактом существования красных водорослей в глу-
бинах моря; приспособление к периодичности видно из различий
между растениями длинного дня (растения преимущественно аркти-
ческой зоны) и растениями короткого дня (растения преимущественно
умеренной и тропической зон).
Спектральный состав и интенсивность световых полей в различ-
ных местах обитания растений измерялись и обсуждались различными
авторами, например Визнером [119], Уршпрунгом [121], Зейбольдом
[129, 131] и Эгле [132]. Полная интенсивность света, падающего на
растение в области 400—700 му. и имеющего наибольшее значение
для фотосинтеза, определяется следующими факторами: высотой
солнца над горизонтом, прозрачностью воздуха, состоянием неба
(облачность) и положением растения (на свету или в тени).
Отражение окружающими поверхностями также может иметь зна-
чение, особенно для вечнозеленых (отражение от снега!) * и берего-
вых растений (отражение от воды!) [132]. На фиг. 99 показано рас-
пределение интенсивности суммарного света солнца и неба при раз-
личных высотах солнца над горизонтом. Кривые показывают переход от
красного света заходящего солнца (максимум интенсивности у 680 .ир)
* Вероятно, автор имеет в виду вечнозеленые растения умеренной и
арктической зон. — Прим. ред.
Энергия
Фиг. 99. Кривые распределе-
ния энергии солнечного излу-
чения при различных высотах
солнца над горизонтом [131].
Для кривых 38, 21 и 14° чер-
ный квадрат соответствует
2,50 • IO-3 кал/см2 • мин; для
кривых от 10 до 2° черный
квадрат соответствует
0,25 • Ю-3 кал/см2 • мин.
Фиг. 100. Полное излучение и относительная интенсивность солнечного
света в зависимости от высоты солнца над горизонтом [131].
/—относительная длина пути света в атмосфере; II—относительная интенсивность солнечного
света; ///—полвое излучение. Внутренняя шкала слева — кал[см?-ман.
Поглощение света пигментами в живой клетке
141
к желтому свету солнца, стоящего в зените (максимум интенсивности
у 520 жр). Фиг. 100 показывает возрастание полной интенсивности
света от 0,1 калием?  мин при высоте в 10° над горизонтом до
0,6 кал; см?  мин для 50°. Цифры даны для поверхности, перпенди-
кулярной: к падающему свету, для горизонтальной поверхности эта
величина меняется в значительно более широких пределах. Если
солнце заслоняется легкими об-
лаками, интенсивность света
уменьшается до 10 или 209/0
ее полного значения, т. е. до
0,1—0,2 калием? • мин в пол-
день. Когда небо совершенно
затянуто облаками, интенсив-
ность света может падать до
0,02 кал)см*  мин или еще
ниже, т. е. составлять всего
1°/о полного солнечного света.
При этом изменяется и спект-
ральный состав света, как по-
казано на фиг. 101, заимство-
ванной у Тэйлора и Керра [1351;
интенсивность света распреде-
ляется почти равномерно по
всему видимому спектру, и то,
что мы называем эти дни «се-
рыми», действительно справед-
ливо.
Если растение находится
в тени скал, строений или гор
и получает свет главным обра-
зом от голубого неба («голубая
тень»), спектральный состав
Длина волны, мм
Фиг. 101. Кривые среднего распреде-
ления энергии для дневного света [135].
I—небо в зените, цветовая температура 13 000’К;
//—северная часть неба, 45° над горизонтом, цве-
товая температура 10 000° К; ///—весь небесный
свод, цветовая температура 6 500° К; IV—солнце
плюс небо по горизонтальной плоскости, цветовая
температура 6 000° К; V—прямой солнечный свет,
цветовая температура 5 335° К.
этого светового поля совершен-
но отличен от прямого солнечного света, как видно из фиг, 101.
Интенсивность излучения от ясного неба составляет почти 20э/0
полного света солнца (т. е. равна —®,\кал:см?  мин) на уровне моря.
С возрастанием высоты эта величина уменьшается, так как лежащий
выше рассеивающий слой воздуха становится тоньше и цвет неба
переходит в темносиний.
Растения, живущие в тени других растений, например растения
нижнего яруса леса, получают свет, прошедший через слои хлоро-
филла в лежащей выше листве; они живут в «зеленой тени». На
фиг. 102, взятой из работы Зейбольда [131], показан спектраль-
ный состав светового поля в лесу, в сравнении с тем, что наблю-
дается на опушке. Характерен минимум у 650 жа, ясно соответ?
ствующий максимуму поглощения хлорофилла. Значительная часть
142
Г лае a XXII
излучения, достигающего нижнего яруса леса, состоит из крайнего
красного иличинфракрасного
Фиг. 102. Распределение энер-
гии в тени [131].
/ — опушка леса (черный квадрат соот-
ветствует 2,5» 10~3 кал1см^-мин}', 11,111
и IV—три затененных местообитания
растений вида Oxalis (черный квадрат
соответствует 0,025’10~3 хал[см*‘Ман).
света, почти не воспринимаемого глазом
и бесполезного для фотосинтеза. Полная
интенсивность светового поля под де-
ревьями (400—700 жр.) составляет
менее 10°/о полного солнечного света
над лесом и может падать даже до 1%
в густом лесу [131].
Еще более сильные изменения интен-
сивности и спектрального состава све-
тового поля имеют место при прохожде-
нии солнечных лучей через толстые
слои воды.
В табл. 21 приведены некоторые
данные, показывающие уменьшение пол-
ной интенсивности света в зависимости
от глубины. Главной причиной этого
уменьшения интенсивности света явля-
ется поглощение самой воды. Несколько
высших полос (обертонов) в колеба-
тельном спектре воды лежат в видимой
области; основные частоты находятся
в ближней инфракрасной. Они умень-
шаются по интенсивности от красной
области к синей; однако в фиолетовой
области и ближнем ультрафиолете по-
глощение опять увеличивается; возмож-
но, из-за слабых электронных полос. На фиг. 103 мы видим кривую
поглощения воды в области 360—800 ми., согласно измерениям Ашки-
наса [118] и Сойера [126] (см. ДорсеЙ [134]). Слой воды толщиной
10 м ослабляет интенсивность света л = 640 зср. в 10 раз; в случае
д = 760 жр. для такого ослабления достаточно слоя воды толщиной
1 м, а при А = 440 ир для такого же ослабления потребуется слой
воды толщиной 100 м. Вследствие более сильного поглощения в крас-
ной, желтой и фиолетовой частях спектра толстые слои чистой воды
кажутся голубовато-зелеными.
Таблица 21
УМЕНЬШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГЛУБИНЫ
(в относительных единицах)
Место определения	Глубина, м				Ссылка на литературу
	0	15	зэ	60	
Атлантический океан	1 076	114	37	4,4	[125, 127]
Поглощение света пигментами в живой клетке
143
Продолжение табл. 21
Место определения	Глубина, м						Ссылка на литературу
	0	1	2	5	10	20	
Озеро Титизе ....	100	57	32	21	13	10	[131]
Боденское озеро . .	100	54	30	15	9	6	[131]
Поглощение воды в природных )4Словиях в синей и фиолетовой
областях обычно много больше, чем поглощение чистой воды, что
частью обусловливается присутствием некоторых неорганических ионов
(например, ионов железа), а частью — присутствием органических
Фиг. 103. Поглощение чистой воды и распределение энергии падающего
света под водой.
А. Поглощение чистой воды: / — по данным Сойера [126]; II—по данным Ашкинаса [118].
• Б. Распределение энергии падающего света под водой на глубние 1—50 м [129]; цифры на кри-
вых обозначают глубину в метрах.
веществ (например, хлорофилла фитопланктона). Это увеличенное по-
глощение коротковолнового конца спектра придает воде в природных
условиях чисто зеленый или даже желтовато-зеленый оттенок вместо
ее собственного голубовато-зеленого цвета. На фиг. 104 представлен
спектральный состав света на различной глубине Средиземного моря
в ясный день [129].
Подобные же серии кривых, дающих менее быстрое уменьшение
интенсивности в красном конце спектра, даны Джонсоном и Куллен-
бергом [136] и Леврингом [137] для морской воды у западного по-
бережья Швеции. Левринг связывает поглощение в фиолетовой и
синей областях, превращающее сине-зеленый цвет чистой воды
144
Глава XXII
в желто-зеленый, с присутствием взвешенных частиц. Некоторые
дополнительные данные можно найти в табл. 22. Более подробные
сведения сообщаются в работах [120, 122, 123, 128 и 134].
Таблица 22
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СВЕТА ПОД ВОДОЙ
(курсивом выделены максимумы пропускания)
Пропускание света слоем воды толщиной 5 м [124], °/0
Цвет воды	Длина волны, лер.							
	700	650	600	550	500	450	400	350
Синий (чистая вода) .	7	27	44	83	90	95	79	62
Сине-зеленый (Датское море)		5	15	27	37	41	18	7	5
Зеленый (Пьюджет Саунд)		3	10	18	33	30	28	17	8
Зеленый (озеро Мен- дота) 		0	3	8	8	6	4	2	0
Спектральный состав света на разных глубинах [133], °/0
Глубина, м	Красный	Оранжевый	Желтый	Зеленый	Синий	Фиолетовый
0	28	16	15	13	18	16
1	18	20	21	12	15	14
3	9	17	27	19	16	12
5	5,5	17,5	36	22	12,5	6,5
7	0	13	46	27	10	4
9	0	6	52	29	10	3
Водоросли встречаются на глубине до 120 м. Эти глубоководные
виды живут в световом поле, которое состоит почти исключительно
из зеленых лучей (практически на глубине 10—20 м красного света
уже нет). Полная интенсивность света, доходящего до них, соста-
вляет всего лишь несколько процентов от интенсивности света, кото-
рым пользуются виды, живущие близко к поверхности моря.
В гл. XV (т. I) мы уже рассматривали те способы, при помощи
которых растения приспособляются к окраске света. Несомненно, что
бурые водоросли, содержащие фукоксантол, способны поглощать
большее количество света в средней части видимого спектра, Чем
зеленые растения; присутствие фикобилинов в Rhodophyceae и Суа-
Поглощение света пигментами в живой клетке
145
nophyceae увеличивает их поглотительную способность в этой спек-
тральной области еще более сильно.
В табл. 22 показано, как эти изменения пигментной системы
влияют на поглотительную способность растений в различных спек-
тральных областях. Однако эта таблица относится к освещению све-
том с равномерным распределением интенсивности по спектру. Зна-
чение этих изменений в поглощении - естественного света обсуждалось
Фиг. 104. Поглощениё света водорослями на различных глубинах (1—30 м),
в процентах света, падающего на поверхность [129].
A. Monostroma (зеленая водоросль); Б. Detessaria (красная водоросль). Цифры на кривых обо-
значают глубину в метрах.
Зейбольдом [129], Монфортом [130] и Леврингом [137]. Более под-
робные сведения по этому вопросу содержатся в работах названных
авторов. Мы же упомянем только, в качестве примера, что, по дан-
ным Зейбольда, Rhodophyceae могут поглощать до 95% света, до-
стигающего глубины 50 м, тогда как Chlorophyceae могли бы погло-
тить всего лишь 30—40% этого света (фиг. 105).
ЛИТЕРАТУРА
Поглощение света растениями
1.	B6hm J. A., Sitzber. Akad. Wiss. Wien, Math, naturw. Klasse, 22, 479
(1856).
2.	Sachs J., Sitzber. Akad. Wiss. Wien, Math, naturw. Klasse, 43, 265 (1861).
3.	Stahl E„ Botan., Z„ 38, 297, 321, 345, 361, 377, 393, 409, 868 (1880).
4.	Reinke J., Ber. deut. botan. Ges., 1, 395 (1883).
5.	Тимирязев К. A., Compt. rend., 100, 851 (1885).
6.	Reinke J., Compt. rend., 44, 161, 177, 193, 209, 225, 241 (1886).
7.	Deilefson E., Arbeit, des botantschen Institute Wurzburg, 3, 534 (1888).
8.	Linsbauer L., Botan. Z., Beihefte, 10, 53 (1901).
9.	Brown H., Escombe F., Proc. Roy. Soc. London, B76, 29 (1905).
10.	Senn G., Die Gestaits-und Lageverandertingen der Chromatophore, Engel-
mann, Leipzig, 1908.
10 Зак. 4040. E. Рабинович
146
Глава ХХП
11.	Senn G., Вег. dent, botan. Ges., 27 (12) (1909).
12.	Stahl E., Zur Biologie des Chlorophylls, Fischer, Jena, 1909.
13.	Welgert F., Die chemischen Wirkungen des Lichts, Enke, Stuttgart, 1911.
14.	Coblentz W. W., Bull. U. S. Bureau Stand., 9, 283 (1912).
15.	Пуриевич К., Jahrb. wiss. Botan., 58, 210 (1914).
16.	Senn G., Verhandl. naturforsch. Ges. Basel, 28, 104 (1917).
17.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen iiber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918, p. 122.
18.	Ursprung A., Ber. deut. botan. Ges., 36, 122 (1918).
19.	Senn G., Z. Botan., 11, 81 (1919).
20.	Wurmser R., Arch. phys. biol., 1, 33 (1921).
21.	Liese W., Beitr. allgem. Botan., 2, 323 (1922).
22.	Лазарев П. П., Журн. прикл. физ., 1, 142 (1924).
23.	Benecke W., Jost L., Pflanzenphysiologie, Vol. 1, Jena, 1924.
24.	Pokrovski G. I., Biochem. Z., 165, 420 (1925).
25.	Warburg O., Biochem. Z., 166, 386 (1925).
26.	Лазарев П. П., Blochem. Z., 182, 131 (1927).
27.	ShuU C. A., Botan. Gaz., 87, 583 (1929).
28.	Briggs G. E., Proc. Roy. Soc. London, B105, 1 (1929).
29.	Seybold A., Planta, 16, 195 (1932).
30.	Seybold A., Planta, 18, 479 (1932).
31.	Schanderl H., Kaempfert W., там же, 18, 700 (1933).
32.	Seybold A., Planta, 20, 577 (1933).
33.	Voerkel S. H., Planta, 21, 156 (1933).
34.	Seybold A., Planta, 21, 251 (1933).
35.	Seybold A., Jahrb. wiss. Botan., 79, 593 (1934).
36.	Mestre H., Cold Spring Harbor Symposia Quant. Biol., 3, 191 (1935).
37.	Mecke R., Baldwin W. C. G., Naturwissenschaften, 25, 305 (1937).
38.	Egle K., Planta, 26, 546 (1937).
39.	Noddack W., Eichhoff H. J., Z. physik. Chem., A185, 241 (1939).
40.	Meyer К. P., Helv. Phys. Acta, 12, 349 (1939).
41.	Loomis W., Carr, Randall H. M., Gibson Island A. A. A. S. Symposium
on Photosynthesis, 1941.
42.	Burns G. R., Am. J. Botany, 29, 381 (1942).
43.	Seybold A., Weissweiler A., Botan. Arch., 43, 252 (1942).
44.	Seybold A., Weissweiler A., Botan. Arch., 44, 102, 456 (1943).
45.	Rabideau G. S., French C. S., Holt A. S., Am. J. Botany, 33, 769 (1946).
46.	Loomis W., A. A. A. S. Symposium on Photosynthesis, Chicago, 1947 (не-
опубликовано).
47.	Kok В., Enzymologia, 13, 1 (1948).
48.	Loomis W., Photosynthesis in Plants, Iowa State College Press, Ames
1949, p. 5.
Спектральные свойства растений
49.	Hagenbach A., Ann. Phys. (Poggendorf), 141, 245 (1870).
50.	Gerland E., Ann. Phys. (Poggendorf), 143, 585 (1871).
51.	Тимирязев К. A., Ber. deut. chem. Ges., 5, 329 (1872).
52.	Engelmann T. W., Botan. Z., 42, 81, 97 (1884).
53.	Reinke J., Botan. Z., 44, 161, 177, 193, 209, 225, 241 (1886).
54.	Engelmann T. W., Botan. Z., 45, 393, 409, 425, 441, 457 (1887).
55.	Гайдуков H. M., Ber. deut. botan. Ges., 22, 23 (1904).
56.	Гайдуков H. M., Hedwigia, 43, 96 (1904).
57.	Ивановский Д. M., Ber. deut. botan. Ges., 25, 416 (1907).
58.	Ивановский Д. M., Biochem. Z., 48, 328 (1913).
59.	Ursprung A., Ber. deut. botan. Ges., 36, 86, 111 (1918).
59a. Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen iiber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
Поглощение света пигментами в живой клетке
147
60.	Wurmser R., Arch. phys. biol., 1, 33 (1921).
61.	Покровский Г. И., Biochem. Z., 165, 420 (1925).
62.	Baas-Becking L. О. M., Ross P. A., J. gener. Physiol., 9, 111 (1925).
63.	Wurmser R., J. phys. Radium, 7, 33 (1926).
64.	Любименко В. H., Rev. gener. botan., 39, 547 (1927).
65.	Shull C. A., Botan. Qaz., 87, 583 (1929).
66.	Seybold A., Planta, 16, 195 (1932).
67.	Seybold A., Planta, 18, 479 (1932).
68.	Schanderl H., Kaempfert W., там же, 18, 700 (1933).
69.	Seybold A., Planta, 21, 251 (1933).
70.	Seybold A., Jahrb. wiss. Botan., 79, 593 (1934).
71.	Spohn U., Planta, 23, 241 (1934).
72.	Seybold A., Jahrb. wiss. Botan., 82, 741 (1936).
73.	Albers V. M„ Knorr H. V., Plant Physiol., 12, 833 (1937).
74.	Vermeulen D., Wassink E. C., Reman О. H., Enzymologia, 4, 254 (1937).
75.	Egle K., Planta, 26, 546 (1937).
76.	French C. S„ J. gener. Physiol., 21, 71 (1937).
77.	Mecke R., Baldwin W. C. G„ Naturwissenschaften, 25, 305 (1937).
78.	Strain H. H„ Leaf Xanthophylls, Carnegie Inst. Wash. Pub., №490 (1938).
79.	Katz E., Wassink E. C., Enzymologia, 7, 108 (1939).
80.	Wassink E. C„ Katz E., Dorrestein R., там же, 7, 113 (1939).
81.	Noddack W., Eichhoff H. J., Z. physik. Chem., A185, 241 (1939).
82.	Meyer К. P., Helv. Phys. Acta, 12, 349 (1939).
83.	French C. S., J. gener. Physiol., 23, 483 (1940).
84.	Menke W., Naturwissenschaften, 28, 31 (1940).
85.	Seybold A., Egle K., Botan. Arch., 41, 578 (1940).
86.	Smith E. L., J. gener. Physiol., 24, 565 (1941).
87.	Zscheile F. P., Comar C. L., Botan. Gaz., 102, 463 (1941).
88.	Emerson R., Lewis С. M., Gibson Island A. A. A. S. Symposium on Photo-
synthesis, 1941 (неопубликовано).
89.	Dutton H. J., Manning W. M„ Am. J. Botany, 28, 516 (1941).
90.	Loomis W., Carr, Randall H. M„ Gibson Island A. A. A. S. Symposium
on Photosynthesis, 1941 (неопубликовано).
91.	Wurmser R., Rev. brasil. biol., 1, 325 (1941).
92.	Emerson R., Lewis С. M., J. gener. Physiol., 25, 579 (1942).
93.	Duntley S. C., J. Opt. Soc. Am., 32, 61 (1942).
94.	Saunderson J. L., J. Opt. Soc. Am., 32, 727 (1942).
95.	Seybold A., Weissweiler A., Botan. Arch., 43, 252 (1942).
96.	Seybold A., Weissweiler A., Botan. Arch., 44, 102 (1943).
97.	Seybold A., Weissweiler А., там же, 44, 456 (1943).
98.	Duntley S. C„ J. Opt. Soc. Am., 33, 252 (1943).
99.	Rabideau G. S., French C. S., Holt A. S., там же, 33, 769 (1946).
100.	Wassink E. C., Kersten J. A. H„ Enzymologia, 12, 3 (1946).
101.	Ильина А. А., Журн. физ. хим. 21, 145 (1947).
102.	Van Norman R. W., French C. S., Macdowall F. D. H., Plant Physiol.,
23, 455 (1948).
103.	Loomis W., Photosynthesis in Plants, Iowa State College Press, Ames,
1949, p. 5.
104.	Tanada T„ Am. J. Botany, 38, 276 (1951).
105.	French C. S., Koski V. M., Proc. Soc. Exptl. Biol., 1951 (в печати).
Распределение поглощенной энергии среди пигментов
106.	Warburg О„ Negeleln Е., Z. physik. Chem., 106, 191 (1923).
107.	Seybold A., Jahrb. wiss. Botan., 82, 741 (1936).
108.	Strain H. H., Leaf Xanthophylls, Carnegie Inst. Wash. Publ. № 490 (1938).
109.	Noddack W., EichhoM H. J., Z. physik. Chem., A185, 241 (1939).
10*
148
Глава XXII
ПО. Montfort С„ Z. physik. Chem., А186, 57 (1940).
111.	Dutton H. J., Manning W. M., Am. J. Botany, 28, 516 (1941).
112.	Emerson R„ Lewis С. M., Gibson Island A. A. A. S. Symposium on
Photosynthesis, 1941 (неопубликовано).
113.	Strain H. H., Manning W. M., J. Biol. Chem., 144, 625 (1942).
114.	Emerson R., Lewis C. M„ J. gener. Physiol., 25, 579 (1942).
115.	Emerson R„ Lewis С. M., Am. J. Botany, 30, 165 (1943).
116.	Manning W. M., Strain H. H., J. Biol. Chem., 151, 1 (1943).
117.	Tanada T., Am. J. Botany, 38, 276 (1951).
Естественные световые поля
118.	Aschkinass E„ Ann. Phys. (Poggendorf), 55, 401 (1895).
119.	Wiesner J., Der Lichtgenuss der Pflanzen, Engelmann, Leipzig, 1907.
120.	Schmidt W„ Sitzber. Akad. Wiss. Wien Math, naturw. Klasse, Abt., lid,
117, 237 (1908).
121.	Ursprung A., Ber. deut. botan. Ges., 36, 111 (1918).
122.	Knudsen M., Conseil permanent intern, exploration mer, Publ. № 76 (1922).
123.	Hulburt E. 0., J. Opt. Soc. Am., 17, 15 (1928).
124.	Shelford V. E„ см. E. Abderhalden, Handbuch der biologischen Arbeits-
methoden, Part 2, 9, 1495 (1929).
125.	Beebe W., Hollister G„ Bull. N. Y. Zool. Soc., 33, 249 (1930).
126.	Sawyer W. R., Contrib. Canad Biol. Fisher., 7, 75 (1931).
127.	Hulburt E. O., J. Opt. Soc. Am., 22, 408 (1932).
128.	Atkins W. R. G„ J. conseil permanent intern, exploration mer, 7, 171
(1932).
129.	Seybold A., Jahrb. wiss. Botan., 79, 593 (1934).
130.	Montfort С., там же, 79, 493 (1934).
131.	Seybold A., Jahrb. wiss. Botan., 82, 741 (1936).
132.	Egle K., Planta, 26, 546 (1937).
133.	Manning W. M., Juday C., Wolf M., J. Am. Chem. Soc., 60, 274 (1938).
134.	Dorsey N. E., Properties of Ordinary Water Substance, Reinhold, New
York, 1940.
135.	Taylor A. H., Kerr G. A., J. Opt. Soc. Am., 31, 3 (1941).
136.	Johnson N. G., Kullenberg B., Svensk. hydr.-biol. Romm. Skr., Ill, 1,
№ 1 (1946).
137.	Levring T„ Qoteborgs Kungl. Vetenskaps Vitterhets Samh. Handl. (VIIB),
5, № 6 (1947).
Глава XXIII
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ПИГМЕНТОВ IN VITRO
Явления флуоресценции можно рассматривать с двух точек зре-
ния. Во-первых, спектр флуоресценции представляет собой ценное
дополнение к спектру поглощения при изучении системы термов и
молекулярной структуры химического соединения. Во-вторых, выход
и длительность флуоресценции позволяют получить важные сведения
о судьбе энергии возбуждения и тем самым дают ключ к пониманию
механизма фотохимических реакций вещества, поглощающего свет.
Исследуя хлорофилл, мы особенно интересуемся вторым, т. е. фото-
химическим, аспектом явлений флуоресценции.
Вследствие деления этой монографии на химическую и физическую
части фотохимия хлорофилла уже рассматривалась в т. I (гл. XVIII
и XIX), а вопросы, связанные с флуоресценцией, мы рассмотрим
здесь. Частично заключения, полученные в результате изучения флуо-
ресценции, уже были использованы в т. I; к некоторым из них мы
вернемся на страницах т. II и рассмотрим их более подробно.
Со времени появления первого тома в изучаемой области были
опубликованы некоторые новые факты и соображения; все, что свя-
зано с флуоресценцией, мы рассмотрим в этой главе, те же факты,
которые относятся к фотохимии, — в гл. XXXV.
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА IN VITRO
Спектры флуоресценции хлорофилла и его производных
в растворе
Флуоресценция хлорофилла была открыта Брюстером [1] более
100 лет назад (1834 г.). Спектроскопически она впервые была изу-
чена Стоксом в 1952 г. [2], причем в результате этого исследования
попутно было установлено, что пигмент листа состоит из двух зеле-
ных и двух желтых компонентов. Дере [3] и Вильшке [4] получили
первые снимки спектра флуоресценции. Однако фотографическая
методика не вполне подходит для количественного изучения флуорес-
ценции хлорофилла вследствие того, что полосы флуоресценции хло-
рофилла расположены в крайней красной и инфракрасной областях,
а чувствительность пластинок, сенсибилизированных к красному и
инфракрасному, сильно меняется с длиной волны.
150
Глава XXIII
На фиг. 105 показан вид спектра флуоресценции хлорофилла
на панхроматической пластинке, а на фиг. 106 — на пластинке, сен-
сибилизированной к инфракрасному. На фиг. 107 даны спектрофото-
метрические кривые флуоресценции хлорофиллов а и b в эфире,
измеренные Цшейле и Гаррисом [63] при помощи фотоэлектрического
спектрофотометра. Максимум первой эмиссионной полосы лежит на
этом графике у 664,5 мр для хлорофилла а и у 648,5 мр— для
Фиг. 107. Спектры флуоресценции хлоро-
филла а и хлорофилла b в эфире.
/—хлорофилл д; II—хлорофилл Ь. Фотометрические
кривые исправлены на реабсорбцию [63].
хлорофилла Ь', обе эти по-
лосы лишь немного сдви-
нуты в сторону длинных волн,
по отношению к максимумам
соответствующих полос по-
глощения (табл. 23). За пер-
вой полосой флуоресценции
следует вторая, менее интен-
сивная, расположенная в
крайней красной области, что
хорошс? видно на фиг. 106,
так же как и на фиг. 107.
Кроме Того, имеется еще
третья, очень слабая полоса,
лежащая в ближайшей ин-
фракрасной области. На при-
веденных фигурах эта полоса
не показана.
В одной из своих более
ранних работ Цшейле [33]
наблюдал еще одну полосу в
спектре флуоресценции хло-
рофилла b вблизи 672,8 мр.
Однако Дере и Бирмахер [38]
и Бирмахер [37] приписывают
ее загрязнениям исследован-
ного препарата хлорофиллом а. Впоследствии это объяснение было
принято также Цшейле и Гаррисом [63[.
По утверждению Бирмахера [37] спектр флуоресценции является
наиболее чувствительным тестом для оценки чистоты хлорофилла Ь.
В гл. XXI описан метод очистки, основанный на применении этого теста.
Положения главных полос флуоресценции двух хлорофиллов в эти-
ловом эфире и положения тех же полос в различных растворителях
даны, по данным разных исследователей, в табл. 23.
Спектрофотометрическую кривую флуоресценции бензинового
экстракта из Brassica (содержащего оба компонента хлорофилла)
можно найти в работе Вермейлена, Вассинка и Ремана [41].
В табл. 23 некоторые цифры соответствуют максимумам полос,
^макс, определенным фотоэлектрически, а другие — осям полос, л,
Таблица 23
полосы флуоресценции хлорофиллов а и ь
Компо-	Полоса	Длины волн	максимумов, лц, (>-мак0)	Оси, лгу. (X)
не нт		[18, 25] >)	| I20J •) | [33[ *) | [63] 2)	[31] >) | [37] 0
Положение полос в этиловом эфире
а	I	(633) 3), 672	675	668,5	664,5	665	663
	п	—	—от	723	720	736	—
	III	«	 1 "	«1	—	801	—
ь 	I	(637)3), 657	—	648,5	648,5	646	647
	II	от»	—	705	708	713	—
	III		—			789	—
Растворитель	«р	Хлорофилл а		Хлорофилл b	
		лмакс»	X, дсу.	^макс»	X, лгу.
		[20] |	[18]	| [63]	[37]	[18]	[37]
Положение полос в различных растворителях
Углеводороды Пентан	 Гексан		1,357 1,375	—	—		663 663	—	644,5 644,5
Циклогексан		1,431	—	—	665,5	—	—	
Бензол		1,501	675	677	673	666,5	657	650
Парафин (жидкий) . . .	.—	678	—	—	668,5	—	645,5
Вазелин (белый) ....	—	—	—	—	672,5	—	647,5
Эфиры							
Этиловый		1,353	675	672	664,5	663,5	657	647
Изопропиловый ....	1,37	—	—	670	—	—.	—
Диоксан		1,42	—	—	668	666	—	699,5
Спирты							
Метанол		1,320	666	675	674	667	657	.—
Этанол		1,362	675	—	—	666	—	654,5
2-Метил-1 -пропанол . .	1,39	—	—	674	—'	—	—
1-Бутанол		1,402	—	—	673,5	—	—	—
2-Этил-1-гексанол . . .	1,43	—	—	676,5	—	—	—
Циклогексанол ....	1,466	—	—	—	669	—	653
Галогениды и сульфиды							
Четыреххлористый уг-							
лерод 		1,466	—	—	671,5	668	—	648
Хлороформ		1,446	680	—	—	670	—	650
Сероуглерод		1,630	681	—	—	676	—	656
Йодистый метилен . . .	1,756	682	——	—	4)	—	4)
Тетралин 		—	—	688,55)	—		—	—
Продолжение табл. 23
Растворитель	nD	Хлорофилл а					Хлорофилл Ъ	
		^макс’				X, мр.	^макс*	1, мц
		[20]		[18]	[63]	13Z]	[18]	[37]
Разные Ацетон	 Метилоле ат	 Пиридин 	 Оливковое масло . . . Анилин 	 Лецитин 		1,359 1,46 1,509 1,48 1,586	668 675 677е)		1 1 1 1 1 g	670 670 672	665 674 676	657	653 658,5 662
Растворитель	Аймаке» лер. [63], хло- рофилл а		Растворитель				АХ, ми- [37]	
							хлоро- хлоро- филл а филл b	
Смещение полос в различных
растворителях7)
Метанол		10	Пентан .		4,5	4,5
2-Этилгексанол ....	10	Гексан 		4,5	4,5
2-Метилпропанол ....	9,5	Пиридин 		4,5	3,5
Бензол 		9	Четыреххлористый уг-		
Изопропиловый эфир .	9	лерод 		4	3
Ацетон		8,5	Метанол		3,5	—
1-Бутанол		8,5	Анилин 		3	5
Метилоле ат		8	Бензол 		2,5	4,5
Четыреххлористый уг-		Диоксан		2,5	5
лерод 		8	Этанол		2,5	6,5
Оливковое масло . . .	7,5	Циклогексанол ....	2	4
Диоксан		7	Хлороформ		2	2,5
Циклогексан		5,5	Сероуглерод 		2	6
Этиловый эфир ....	4,5	Ацетон		1,5	8,5
		Этиловый эфир ....	0,5	5
		Парафин жидкий . . .	0	0,5
х) Фотографический метод.
’) Фотоэлектрический фотометр.
•) Включая дополнительные максимумы (см. стр. 155).
*} Бирмахер [37] совсем не обнаружил флуоресценции в иодистом метилене (так же как
и в нитробензеле).
По Стюарту, Кнорру и Альберсу [57].
в) Эти цифры вычислены Зейбольдом и Эгле [51] по данным Стерна.
г) ДХявХ (флуоресценции)—X (поглощения).
Флуоресценция пигментов in vitro
153
т. е. представляют собой средние арифметические из длин волн границ
полос, полученных на фотографиях спектров. Эти границы сильно
зависят от кривой спектральной чувствительности фотографических
пластинок и длительности экспозиции. Бирмахер [37] утверждает,
однако, что в том случае, когда фотографируются только пики полос,
т. е. когда используются достаточно короткие экспозиции, оси совпа-
дают с истинными максимумами полос. Вследствие этого он отрицает,
что различия между значения-
ми А, полученными им, и АмаЯс,
найденными в более ранних
исследованиях, могут обу-
словливаться спаданием чув-
ствительности его фотогра-
фических пластинок в край-
нем красном; он приписывает
эти различия тому, что преж-
ние исследователи не учиты-
вали реабсорбцию света
флуоресценции в растворе
хлорофилла. Вследствие того,
что полоса флуоресценции
хлорофилла близко примы-
кает к красной ветви пика
поглощения, реабсорбция
Йрлжна вести к кажущемуся
смещению полосы флуорес-
ценций в сторону более
длинных волн. Правильность
этого объяснения была приз-
нана Цшейле и Гаррисом [63],
которые проделали спектро-
фотометрическое определе-
ние полос флуоресценции,
систематически меняя кон-
Длина волны, мр.
Фиг. 108. Влияние реабсорбции на спектр
флуоресценции хлорофилла а в эфире [63].
/—флуоресценция поглощается в минимальном слое
раствора хлорофилла; II—флуоресценция поглощается
в слое того же раствора толщиной 0,75 мм; III —то
же в слое толщиной 3,75 мм; IV—то же в слое тол-
щиной 10 мм; V—поглощение (кривая взята из фиг. 1).
центрацию хлорофилла и используя капиллярный сосудик для умень-
шения реабсорбции. Влияние эффекта реабсорбции иллюстрируется
фиг. 108. На этой фигуре показано, какая часть полосы флуоресцен-
ции перекрывается полосой поглощения и как вследствие этого пере-
крытия смещение максимума полосы флуоресценции может достигать
12 мр. Положение второй полосы флуоресценции (при 720 мр) прак-
тически не зависит от реабсорбции; это вполне естественно, так как
данная полоса соответствует колебательному состоянию молекулы хло-
рофилла и не встречается в спектре поглощения, по крайней мере
с заметной интенсивностью.
В табл. 23 сравниваются наиболее достоверные цифры Бирмахера,
Цшейле и Гарриса [37 и 63] с длинами волн полос поглощения из
154
Глава ХХШ
табл. 6. Это сравнение показывает, что максимум флуоресценции рас-
положен с длинноволновой стороны максимума поглощения во всех
растворителях, но расстояние между двумя максимумами иногда па-
дает до 1 мр.
Трудно сказать, имеют ли какое-нибудь значение вариации сме-
щения ДА, указанные в табл. 23; в частности, трудно сказать, реальна
ли явная разница в порядке растворителей, найденная для хлорофиллов
а и Ь. Зейбольд и Эгле [51] предполагают, что ДА ненормально велико
(~ 15 мр) в растворах хлорофилла в липоидах, таких, как лецитин
(см. т. I, стр. 395). Это предположение не вполне правдоподобно и
поэтому не может быть принято без подтверждения достоверными
измерениями.
Причину «красного смещения» полос флуоресценции по отношению
к полосам поглощения можно видеть в потере колебательных квантов
за время между возбуждением и испусканием или после него. Вообще
говоря, молекула имеет, несколько различную конфигурацию ядер
в возбужденном и нормальном состояниях. Вследствие этого, согласно
так называемому принципу Франка — Кондона*, электронное возбужде-
ние сопровождается возбуждением некоторого количества колебаний.
Большая часть, если не все эти колебательные кванты, рассеивается
до испускания света флуоресценции. После эмиссии в течение неко-
торого времени молекула находится в деформированном состоянии,
и в последующем цикле флуоресценции некоторая часть энергии,
превращается в колебательную энергию. Величина ДА показывает,
что колебательные кванты, о которых мы говорили, должны быть
' порядка 100 см~\ т. е. гораздо меньше, чем кванты (1 000—1 400 см-1,
см. стр. 37), существование которых мы допустили для объясне-
ния последовательности полос поглощения хлорофилла в видимой
части спектра.
Другое объяснение «красного смещения» основано на предполо-
жении (см. стр. 38 и фиг. 22) о том, что главная полоса поглоще-
ния в красном Хо -> Уо маскирует слабую полосу Хо -> До, которая
относится к системе полос в желто-оранжевой части спектра. Если
это так и если красная полоса флуоресценции является именно поло-
сой YQ—>XQ, то некоторое различие в положении их максимумов
понятно. Это второе объяснение менее правдоподобно вследствие
того, что смещение полосы флуоресценции в направлении более длин-
ных волн есть общее явление, тогда как перекрытие полос Хо -> Yo
и Хо-+Ао, если оно и существует на самом деле, может быть лишь
случайным обстоятельством.
Влияние растворителя на положение полосы флуоресценции должно
быть приписано тем же причинам, которые влияют и на спектр по-
глощения, т. е. оно различно в зависимости от энергии сольватации
* О принципе Франка — Кондова и его роли в фотохимии красителей
см., например, А. Н. Тереиии, Фотохимия красителей и родственных орга-
нических соединений, Изд. АН СССР, 1947, стр. 62. — Прим. ред.
Флуоресценция пигментов In vitro
155
пигмента в основном и возбужденном состояниях. В табл. 23 пока-
зано, что в гомологичной группе растворителей можно найти прибли-
зительный параллелизм между положением полосы флуоресценции и
показателем преломления среды. Эта закономерность уже была отме-
чена и рассматривалась нами в гл. XXI, когда мы имели дело со
спектрами поглощения хлорофилла в различных средах.
Влияние растворителя на флуоресценцию хлорофилла получило
новое объяснение после опытов Ливингстона, Ватсона и Мак-Ардла [85],
которые мы опишем ниже. Эти опыты говорят о том, что влияние
растворителя имеет двойственный характер. Прежде всего, для воз-
никновения флуоресценции кажется необходимым присутствие, по
крайней мере, небольшого количества молекул растворителя опреде-
ленного типа (вода, спирты, амины). Повидимому, это связано с пре-
вращением хлорофилла из нефлуоресцирующей во- флуоресцирующую
таутомерную форму. После того как флуоресценция активируется
таким путем, ее спектр и интенсивность не зависят от природы
активатора и определяются только природой самого растворителя.
Другими словами, активируется ли флуоресценция хлорофилла в бен-
золе метанолом, пиперидином или водой, ее спектр и интенсивность
характерны для бензола как среды. Если прибавлять все большие и
большие количества активатора, то рано или поздно спектр начнет
приближаться к тому виду, который характерен для самого актива-
тора. Однако эти переходы еще не изучались.
Подобно двум главным компонентам хлорофилла а и Ь, хлоро-
филл с (хлорофуцин) также имеет красную полосу флуоресценции;
ее ось лежит у 631,5 мр в эфире (до Дере и Фонтэну [14]) и
у 635 мр в этаноле (по Вильшке [4]).
Хлорофилл d, по описаниям Мэннингам и Стрейна [64], также
дает темнокрасную флуоресценцию. Первый максимум в его спектре
лежит у 693 мр. (в эфирном растворе). Кроме того, имеются указания
на присутствие второго диффузного максимума у 750 мр.
Количественных данных о спектре флуоресценции алломеризован-
ных хлорофиллов пока не имеется.
Протохлорофилл в эфирном растворе обнаруживает полосу флуо-
ресценции у 626,5 мр (Дере [12]). Полосы флуоресценции феофи-
тина а лежат у 676 и 730,5 мр в эфире [31] и у 677,5; 717; 750,5
и 804 мр в диоксане [34].
Фотометрическая кривая спектра флуоресценции бактериохлоро-
филла в растворе была получена Вермейленом, Вассинком и Рема-
ном [41]. Они нашли две полосы: более слабую у 695 и более силь-
ную у 810 мр (фиг. 109). Происхождение этих полос не вполне
ясно (см. стр. 158).
Обзор по флуоресценции этих и многих других производных пор-
фина был дан Дере [42, 50].
В спектре флуоресценции хлорофилла не обнаруживается никаких
полос, которые бы соответствовали сильной полосе поглощения в сине-
156
Глава XXIII
фиолетовой области спектра, даже в том случае если для возбужде-
ния применяется белый, фиолетовый или ультрафиолетовый свет
[22, 31 и 41]. Точно так же нет полос флуоресценции, соответствую-
щих слабым полосам поглощения в средней части видимого спектра.
Правда, Принс [22] утверждает, что красная полоса флуоресценции
наблюдается без желтой и оранжевой полос только в том случае,
если флуоресценция возбуждается красным светом (660—680 л<(1);
Кнорр и Альберс [18, 25] наблюдали «дополнительные» полосы флуо-
ресценции с коротковолновой стороны главной полосы у 633 и 637 яр
в хлорофиллах а и b соответственно (см. табл. 23), однако Цшейле
с сотрудниками [33, 63], возбуждая флуоресценцию белым светом,
и Вермейлен, Вассинк и Реман [41], применявшие ультрафиолетовый и
Длина волны, мц
Фиг. 109. Спектр флуоресценции бактериохлоро-
филла в растворе [41].
синий возбуждающий свет, получали кривые флуоресценции без
каких-либо указаний на подобные дополнительные полосы (см. фиг. 107).
Цшейле и Гаррис [63] нашли, что спектр флуоресценции хлоро-
филла получается совершенно одинаковым независимо от того, воз-
буждается ли он линиями ртути 365; 404,7; 435,8 и 546 лог или
белым светом, пропущенным через красный, оранжевый, желтый, фио-
летовый, синий или зеленый фильтры.
Способен ли хлорофилл испускать слабую, но длительную инфра-
красную флуоресценцию, связанную с метастабильным состоянием
(см. стр. 162) — неизвестно. Кальвин и Дораф [72] описали подобную
фосфоресценцию, однако Ливингстон [80] не подтвердил их наблю-
дений (см. стр. 207).
На фиг. 106, кроме спектров флуоресценции двух хлорофиллов,
показаны также и спектры двух феофорбидов и двух порфиринов.
Феофорбиды (т. е. хлорофиллиды, в которых водород замещен маг-
нием) флуоресцируют не менее сильно, чем сами хлорофиллы или хло-
рофиллиды; однако некоторые другие замещения в том же положении
(например, медь вместо магния) ведут к полному исчезновению флуо-
ресценции.
Флуоресценция пигментов in vitro
157
Ряд авторов [30, 34, 35 и 48] исследовали флуоресценцию мно-
гих порфиринов и хлоринов. Они нашли, что все эти вещества, по-
добно хлорофиллу, флуоресцируют красным светом, даже если флуо-
ресценция возбуждается фи9летовой или ультрафиолетовой радиацией.
Главная полоса флуоресценции всегда лежит вблизи первой полосы
поглощения в красной области независимо от того, является ли эта
полоса поглощения наиболее слабой, как в спектре порфиринов, или
наиболее сильной, как в спектре хлоринов и форбинов. Штерн [48]
нашел, что тетрапиррольные соединения без замкнутой кольцевой
системы порфина (например, желчные пигменты), так же как и соеди-
нения, в которых конъюгация в порфиновом кольце нарушена, не
подчиняются этому правилу и не дают резких полос флуоресценции
вообще. Поэтому наличие резких полос красной флуоресценции рас-
сматривается им как важная и характерная особенность полностью
конъюгированной системы порфинового кольца.
Согласно системе термов, приведенной на фиг. 12 и 22, появле-
ние красной полосы флуоресценции, в отсутствие всех остальных
полос, говорит о том, что вся энергия возбуждения, избыточная по
отношению к наиболее низкому, бесколебательному возбужденному
электронному состоянию, рассеивается до того, как может возникнуть
флуоресценция. Рассеяние происходит, вероятно, прежде всего путем
внутреннего перераспределения этой энергии по колебаниям внутри
молекулы пигмента, т. е. путем процесса, который называется внут-
ренней конверсией и который затем сопровождается постепенной
передачей колебательных квантов в окружающую среду. Рассеяние
прерывается на самом нижнем возбужденном уровне А (у порфиринов),
Y (у хлоринов и форбинов) или Z (у бактериохлорофилла), располо-
женном достаточно высоко, так что значительная доля энергии воз-
буждения может испускаться только в виде флуоресценции.
Франк и Герцфельд [43] предположили, что способность хлоро-
филла быстро превращать кванты большой энергии в кванты малой
энергии (отвечающие красной области спектра) может иметь важное
значение в функции этого пигмента в фотосинтезе, потому что это
предохраняет систему от возникновения нежелательных фотохимиче-
ских реакций, которые могли бы' сенсибилизироваться большими
квантами. Возможно, что это предположение справедливо, но все же
оно не может объяснить специальную приспособленность хлорофилла
для роли фотокатализатора в фотосинтезе, так как то же самое свой-
ство наблюдается также у всех порфиринов и хлоринов.
Последовательность нескольких полос, наблюдаемых в спектрах
флуоресценции хлорофилла и его производных, так же как и у пор-
фиринов, вероятно, соответствует переходам от возбужденного элек-
тронного состояния Ло (или Уо) к различным колебательным уровням
основного состояния Хо,	В качестве примера мы рассмотрим
прежде всего спектр флуоресценции порфина, который наблюдали
Штерн и Мольвиг [34]. Он состоит из пяти полос, представленных
158
Глава XXIII
в табл. 24. Полоса у 616,5 яр наиболее интенсивна. Сравнение со
спектром поглощения того же соединения (см. табл. 7) показывает,
что все пять полос флуоресценции, вероятно, связаны с одной слабой
полосой в спектре поглощения у 613 яр. В соответствии с системой
термов, представленной на фиг. 12, она является полосой 0->0 си-
стемы А-*Х. Полоса, обозначенная в табл. 24 как «— 1», должна
поэтому быть «антистоксовой полосой», начинающейся со следующего
за самым нижним колебательным уровнем возбужденного электронного
состояния А. Согласно табл. 7, уровень At расположен на 1 520 ел-1
с коротковолновой стороны полосы 0—>0, тогда как полоса флуо-
ресценции «— 1» смещена только на 700 ся~х в том же направле-
нии. Это различие можно объяснить, предположив, что состояние,
в котором начинается полоса «— 1», относится к колебательному
ряду, не возбуждаемому поглощением света. Можно предположить
также, что полоса «— 1» начинается с колебательного уровня А и
оканчивается на колебательном уровне основного состояния, располо-
женного приблизительно на 800 сл-1 выше состояния Хо.
Таблица 24
ПОЛОСЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ПОРФИНА В ДИОКСАНЕ
№ полосы	Соответствую- щий переход	X, му-	v, ем'1	Av, см 1
—1	A^Xi	591	16 900	700
0	Ао~> Xq	616,5	16200	70Л
1	Ао -> Xi	644	15 500	
2	Ао-*- Хг	669,5	14 950	OOU
3	Aq-> x3	684	14 600	350
Полосы 1, 2 и 3, вероятно, все берут начало в возбужденном
бесколебательном состоянии Ло и оканчиваются на соответствующих
уровнях Xt, Х2 и Х3 основного состояния. Согласно этой интерпре-
тации, колебательные кванты основного состояния порфина, которые
возбуждаются флуоресценцией, относительно малы и быстро умень- •
шаются по величине (700—800, 550 и 350 сл-1). С другой стороны,
в хлорофилле две последовательности колебательных квантов, выве-
денных из спектров поглощения и флуоресценции, имеют один и тот
же порядок величин (1 100—1 500 ел-1). Это видно из сравнения
значений Av в табл. 8 с данными табл. 25. Для удобства все цифры
в табл. 25 основаны на данных Дере и Раффи, приведенных в табл. 23.
В бактериохлорофилле расстояние между двумя полосами флуо-
ресценции, показанными на фиг. 109, значительно больше, чем в хло-
рофилле, и равно 2 400 ся~х, причем коротковолновая (красная) по-
лоса слабее, чем длинноволновая (инфракрасная). Поэтому вернее счи-
тать, что здесь мы наблюдаем два разных электронных перехода,
Флуоресценция пигментов in vitro
159
Таблица 25
ВИБРАЦИОННЫЕ КВАНТЫ В СПЕКТРЕ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
хлорофиллов а и Ь
Хлорофилл а			Хлорофилл b		
К лщ	•#, СМ 1	Д'), см 1	X, -ир-	м, см 1	।	Д'), см 1
665	15 000	1420	646	15 500	1480
736	13 580		713	14 020	
801	12 480	1 100	789	12 670	1 350
а не две колебательные полосы в общей системе полос. Эти две
полосы флуоресценции могут соответствовать даже двум разным видам
молекул. Только одна из полос флуоресценции, а именно более силь-
ная (у 810 л/р.), может быть сопоставлена с известной полосой по-
глощения бактериохлорофилла у 770 л/р.
Здесь можно упомянуть также о люминесценции хлорофилла
в тетралине при нагревании до 125°. Это явление было впервые опи-
сано Ротемундом [46] и спектроскопически исследовано Стюартом,
Кнорром и Альберсом [57]. Максимум полосы люминесценции лежит
у 677,5 л/р. После того как тетралиновый раствор нагревается в те-
чение 5 мин., хлорофилл изменяется, его полоса флуоресценции сме-
щается (с 688,5 на 671,0 л/р) и интенсивность ее уменьшается втрое.
Происхождение этой люминесценции все еще неизвестно. Вышеука-
занные авторы трактуют ее как хемолюминесценцию; однако это
объяснение, хотя и правдоподобное, все же нуждается в подтвержде-
нии.
Выход флуоресценции и время жизни возбужденных
состояний хлорофилла
Выход флуоресценции можно определить или как долю поглощен-
ной энергии, испускаемой обратно в виде излучения, или, что еще
важнее, как долю числа фотонов, испускаемых обратно. Эти два
числа совпадают только в случае резонансной флуоресценции; обычно
(особенно в случае конденсированных систем) испускаемый свет имеет
меньшую частоту по сравнению с поглощенным (закон Стокса), и
поэтому энергетический выход меньше, чем квантовый выход ®.
Соотношение г? < ® остается справедливым для главных полос
флуоресценции всех производных порфина и хлорина; различие ста-
новится особенно большим, если для возбуждения применяется синий,
фиолетовый или ультрафиолетовый свет. Выше отмечалось, что эти
соединения испускают при флуоресценции только красный свет. Это
означает, что поглощенные кванты ультрафиолетового, фиолетового
или синего света превращаются в красные кванты значительно мень-
160
Глава XXIII
шей энергии, в то время как до 50% поглощенной световой энергии
рассеивается. Вследствие того, что теоретическое время жизни воз-
бужденного состояния В (верхнее состояние сине-фиолетовой системы
полос) имеет порядок 5 • 10-8 сек. (см. стр. 41), отсутствие даже
0,01% флуоресценции в этой системе показывает, что электронная
энергия состояния В рассеивается менее чем за 5 • 10-12 сек., для
чего достаточно менее 100 молекулярных колебаний.
Повидимому, все порфирины, хлорины и форбины, будучи пере-
ведены в электронное состояние с энергией, более высокой, чем их
наиболее низкое возбужденное состояние, быстро теряют этот избы-
ток энергии и возвращаются в состояние А (порфирины), Y (хло-
рины и форбины) или Z (бактериохлорофилл и его производные).
Различия в выходе красной флуоресценции у разных соединений этих
трех классов должны поэтому зависеть от изменения времени жизни наи-
более низких возбужденных состояний (4, Y или Z). У нефлуоресцирую-
щих соединений (например, у медного феофорбида с < 0,01%) энер-
гия низшего возбужденного состояния должна рассеиваться за время
10-“ сек.; в то же время у сильно флуоресцирующих соединений,
как, например, у самого хлорофилла, это состояние должно сохра-
няться в течение 10~9—10-8 сек., чтобы дать возможность, по мень-
шей мере, нескольким процентам энергии возбуждения перейти в флуо-
ресценцию.
Принс [22] полагает, что квантовый выход флуоресценции хлоро-
филла а в этаноле при возбуждении синим светом меньше, чем при
возбуждении красным светом; это, повидимому, указывает на то, что
конверсия молекул хлорофилла из состояния В в состояние Y про-
исходит не во всех случах, может быть, по причине фотохимической
реакции части молекул с растворителем (см. стр. 165). Однако этот
вывод нуждается в подтверждении. Дэттон, Мэннинг и Дэггар [62],
изучая ацетоновые растворы хлорофиллов а и Ь, нашли одинаковые
выходы флуоресценции при возбуждении фиолетовым (436 -ир.) или
желтым (578 лр) светом. Несколько позднее Ливингстон с сотруд-
никами [85] произвели измерения относительного выхода флуорес-
ценции хлорофилла, возбуждаемого линиями ртути 435,8 и 577—579 лц.
и узкими полосами с максимумами у 645 и 681 лгр. (выделенными
при помощи интерференционных фильтров). Полученные ими резуль-
таты сведены в табл. 26.
Эти цифры говорят о том, что выход флуоресценции обоих хло-
рофиллов значительно выше, когда их возбуждают в оранжево-крас-
ной системе. Кроме того, выход резко падает в крайней красной
области, что напоминает падение квантового выхода фотосинтеза,
наблюдавшееся в той же области спектра Эмерсоном и Льюисом
(см. гл. XXX). Ливингстон упоминает, что подобное уменьшение флуо-
ресценции в длинноволновой области было отмечено в работах с дру-
гими красителями. Это снижение было бы понятно, если бы длинно-
волновая ветвь красной полосы поглощения перекрывалась другой
Флуоресценция пигментов in vitro
161
Таблица 26
ВЛИЯНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ВОЗБУЖДАЮЩЕГО СВЕТА
НА ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ ВЫХОД ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
ХЛОРОФИЛЛА
Растворитель	Хлорофилл	Хлорофилл а	
	<р (435,8 лф) <р (642,5 л£р.)	9 (435,8 лер.) 9 (580,0 лер.)	9 (681,0 лцр 9 (645,0 лир.)
Эфир		0,58	0,58	0,51
Метаиол		0,62	0,63	—
Ацетон		0,73	0,67	0,88
полосой, ведущей к другому возбужденному электронному состоянию.
Если, однако, длинноволновая ветвь связана с переходами, имеющими
начало на колебательных уровнях нормального состояния и ведущими
к тому же возбужденному состоянию, какое характеризует максимум
полосы (как это обычно и принимается), то более низкий квантовый
выход флуоресценции и сенсибилизации представляет собой особен-
ность, которая требует соответствующей интерпретации.
Выход флуоресценции хлорофилла в растворе при возбуждении
сине-фиолетовым светом значительно меньше, чем при возбуждении
красным светом (наблюдение Принса, подтвержденное Ливингстоном).
Однако в отличие от того, что мы наблюдали в далекой красной
области, здесь не удалось обнаружить параллелизма с квантовым
выходом фотосинтеза в живых клетках (см. гл. XXX), а также (что
еще примечательней) — с квантовым выходом самоокисления, сен-
сибилизированного хлорофиллом в той же среде (спирт; см. т. I,
стр. 520). Это подтверждает предположение о том, что фотохими-
ческая сенсибилизация хлорофиллом не конкурирует непосредственно
с флуоресценцией, но происходит через посредство превращения хло-
рофилла в долго живущее активное (таутомерное, изомерное или
метастабильное электронное) состояние. Это превращение, вероятно,
возникает не только из состояния А, но также непосредственно из
состояния В (см. фиг. 12 и схема на фиг. 110). Молекулы, возбуж-
даемые до более высокого состояния В, могут перейти в состоя-
ние Т непосредственно или же сначала перейти на уровень А и затем
уже на Т. Вследствие этого полная вероятность конверсии в метаста-
бильное состояние выше для молекул, возбужденных сине-фиолетовым
светом, чем для молекул, возбужденных красным. В числовом при-
мере, представленном на схеме фиг. ПО, эта вероятность составляет
95% для молекул, находящихся в состоянии В, и 90% — для моле-
кул в состоянии А, оставляя в первом случае вероятность флуорес-
ценции в 5% и во втором — в 10%.
11 Зак. 4040. Е. Рабинович
162
Глава ХХШ
Для лучшего понимания фотохимических свойств хлорофилла су-
щественно необходимы дальнейшие измерения выхода флуоресценции
хлорофилла в разных условиях. В настоящее время наши знания
абсолютного выхода флуоресценции хлорофилла в растворе ограни-
чиваются лишь одной оценкой Принса [22], который нашел, что
выход составляет около 10% (в 10-4 М растворе хлорофилла а
в этаноле). Принс не принимал во внимание реабсорбцию (см. фиг. 108),
и отсутствие точных сведений о постановке опыта не позволяет
Фиг. НО. Метастабильное состояние хлорофилла (Г может обозначать три-
плетное или таутомерное состояние).
решить, как сильно это обстоятельство могло сказаться на его дан-
ных.
Основываясь на измерениях поляризации в четырех растворителях
различной вязкости, Перрен [11] нашел, что время жизни флуорес-
ценции хлорофилла составляет 3 • 10-8 сек.
Если мы допустим, что оценка Принса в основном правильна, то
это означает, что даже в так называемых «сильно флуоресцирующих»
растворах хлорофилла 90% возбужденных молекул пигмента теряют
свою энергию возбуждения прежде, чем они будут иметь возможность
флуоресцировать. Истинное среднее время жизни возбужденного со-
стояния Y при этих условиях должно быть порядка 0,1 • 8 • 10-8 =
= 8 • 10~9 сек. [см. формулу (22.3)]. Не вся энергия возбуждения
будет теряться за этот период. Судьба остаточной энергии возбуж-
Флуоресценция пигментов in vitro
163
дения не установлена определенно, однако в следующем разделе мы
рассмотрим некоторые указания (упомянутые в т. I, стр. 487) на
то, что молекулы хлорофилла, находящиеся в состоянии Л и не
могущие испускать флуоресценцию, превращаются в долго живущую
активную форму (уровень Т на схеме фиг. ПО) которая может пред-
ставлять собой либо метастабильное триплетное электронное состоя-
ние, либо таутомер, либо, наконец, окисленную или восстановленную
форму молекулы.
Выход флуоресценции алломеризованного хлорофилла в метаноле,
по данным Ливингстона [83, 84], составляет у хлорофилла а около
половины от выхода флуоресценции неалломеризованного пигмента.
У хлорофилла b алломеризация вдвое повышает выход флуоресценции.
То же наблюдается, если алломеризация пигментов вызывается при
помощи иода или ускоряется такими катализаторами, как LaCl3.
Это подтверждает, что все названные реагенты ведут к образо-
ванию одного и того же продукта, которым, согласно Фишеру (т. I,
стр. 466), является хлорофилл, окисленный у атома углерода в поло-
жении 10.
Факторы, ограничивающие выход флуоресценции
Какой процесс (или процессы) укорачивает естественное время
жизни возбужденного состояния А молекул растворенного хлорофилла
и делает невозможным 100-процентный выход флуоресценции? Если
отдельная молекула в вакууме поглощает квант света, вероятность
флуоресценции составляет 1ОО°/о, так как флуоресценция является
единственным путем, посредством которого молекула может освобо-
диться от избытка энергии. Временное распределение этой энергии
по внутренним степеням свободы или даже ее превращение в химиче-
скую энергию, путем изомеризации или диссоциации, может замед-
лить испускание флуоресценции, но не может предотвратить его.
Рано или поздно первоначальное строение или конфигурация моле-
кулы должны восстановиться, избыток энергии будет опять превра-
щен в первоначальную форму электронного возбуждения и испускание
флуоресценции произойдет.
С другой стороны, в конденсированной фазе выход флуоресценции
обычно, если не всегда, меньше единицы. Это ослабление флуорес-
ценции средой обусловлено несколькими причинами. Присутствие
большого числа посторонних молекул может сделать частично или
полностью необратимыми оба вышеупомянутых процесса «замедления
флуоресценции» — рассеяние энергии электронного возбуждения
внутри поглощающей свет молекулы {внутренняя конверсия) и пре-
вращение энергии возбуждения в химическую энергию. Вследствие
этого вероятность флуоресценции понизится. Близость посторонних
молекул создает новые возможности химического использования энер-
гии света, так как возбужденная молекула может теперь реагировать
11*
164
Глава XXIII
с другими молекулами, окружающими ее во время периода возбужде-
ния. Итак, мы назвали три возможных способа потери энергии в кон-
денсированных системах: 1) внутреннюю конверсию, 2) химическое
превращение самой возбужденной молекулы и 3) химическую реак-
цию с молекулами среды. Кроме этого, могут происходить: 4) пол-
ный перенос электронной энергии от возбужденной молекулы к по-
сторонней молекуле, находящейся поблизости, и 5) самотушение,
т. е. рассеяние энергии путем взаимодействия с невозбужденными
молекулами пигмента (в том случае, если флуоресцирующие молекулы
присутствуют в достаточной концентрации).
Важно помнить, что взаимодействие флуоресцирующей молекулы
с данной средой может быть сложным. Например, присутствие среды
может приводить к тому, что рассеяние внутренней энергии будет
необратимым, но в то же время и более медленным. Более того,
общее воздействие растворителя, окружающего флуоресцирующую мо-
лекулу, может вызывать тушение флуоресценции, однако специфи-
ческое воздействие в результате ассоциации некоторых групп среды
с определенными группами флуоресцирующей молекулы может иметь
«защитный» характер, т. е. стимулировать флуоресценцию, и так
далее.
Рассмотрим более подробно перечисленные выше пути, посред-
ством которых взаимодействие молекул в конденсированных системах
может влиять на флуоресценцию.
Внутренняя конверсия (физическое рассеяние энергии воз*
буждения). В сложных молекулах электронно возбужденные состоя-
ния легко превращаются, до того как произойдет флуоресценция,
в сильно колебательные состояния. Причина этого заключается в том,
что бесколебательное (или слабо колеблющееся) возбужденное элек-
тронное состояние может иметь не только ту же самую энергию, но
и ту же ядерную конфигурацию, какой обладают сильно колеблю-
щиеся электронно невозбужденные состояния. Это и есть многомер-
рый эквивалент «пересечения потенциальных кривых» двухатомных
молекул.
Выше, было установлено, что в изолированной молекуле внутрен-
няя конверсия обратима и поэтому может только замедлить, но не
предотвратить процесс флуоресценции. С другой стороны, в конден-
сированных системах колебательные кванты молекулы, испытавшей
внутреннюю конверсию, могут теряться при соударениях с молеку-
лами среды. Потеря одного или нескольких колебательных квантов
может быть достаточной, чтобы возврат молекулы в первоначальное
исходное электронно возбужденное состояние стал невозможным и
флуоресценция тем самым была предотвращена.
Остающиеся колебательные кванты могут быть затем растрачены
один за другим путем постепенной передачи окружающим моле-
кулам.
Флуоресценция пигментов In vitro
165
Изомеризация или диссоциация (мономолекулярное химическое
тушение). Энергия возбуждения молекулы, поглотившей квант света,
может пойти (прямо или после внутренней конверсии в колебательную
энергию) на ее химическое превращение, например изомеризацию или
диссоциацию. И в этом случае обратимость процесса, имеющая место
в вакууме, будет утрачена в присутствии посторонних молекул. Обра-
зовавшийся фотохимическим путем изомер или таутомер может, на-
пример, потерять один или несколько квантов при соударениях, и
обратная конверсия в исходную электронно возбужденную форму ста-
нет невозможной. Подобно этому энергия рекомбинации диссоцииро-
ванных частей молекулы может быть отдана посторонним молекулам,
играющим роль ’«третьих тел», так что молекула после рекомбина-
ции должна получиться прямо в невозбужденном основном состоянии.
В этом случае диссоциация остается химически обратимой, однако
рекомбинация не точно обратна фотохимической диссоциации, так
как рекомбинация происходит без хемолюминесценции.
Реакция с посторонними молекулами (бимолекулярное хими-
ческое тушение). Присутствие посторонних молекул открывает воз-
можность для бимолекулярных химических реакций электронно возбу-
жденных молекул. Реагирующими партнерами могут быть молекулы
растворителя, или молекулы случайного загрязнения (например,
растворенного кислорода), или, наконец, молекулы специально введен-
ных «тушителей». В этом случае даже если фотохимическая реакция
обращается, то обращение опять-таки происходит без хемолюмине-
сценции; другими словами, энергия света, использованная в прямой
фотохимической реакции, не может быть испущена вновь при обрат-
ной реакции.
Что касается природы тушащих реакций, то наиболее вероятными
представляются два типа: окисление — восстановление и образование
комплекса. Реакцию первого типа можно представить уравнениями
Chi* + Q —» oChl 4- rQ,	(23.1Д)
Chi*-j-Q —► rChloQ, -	(23.1Б)
где о — окисленная, a г — восстановленная молекула, Q — тушитель
и Chi* — возбужденная молекула хлорофилла. Реакция второго типа
изображается уравнением
Chl*+Q—> Chl*Q—> ChlQ—> Chl-j-Q, (23.2)
причем эффект тушения состоит здесь в ускоренной внутренней
конверсии энергии возбуждения в колебательную энергию ком-
плекса Chl*Q.
166
Глава XXIII
Если Q есть молекула растворителя, то только реакции (23. IX)
и (23.15) можно рассматривать как «химическое тушение», так как
реакция (23.2) становится при этом идентичной «физическому» рас-
сеянию энергии в сольватированной молекуле пигмента.
Фотохимические реакции с посторонними молекулами могут кон-
курировать с флуоресценцией, если только они происходят прямо,
т. е. посредством встреч электронно возбужденных молекул с туши-
телем. Если же реакциям этого рода предшествуют мономолекулярные
процессы, например изомеризация или диссоциация возбужденной
молекулы, то их влияние на флуоресценцию может стать совершенно
незначительным, так как молекулы, участвующие в фотохимической
реакции, уже не смогут дать флуоресценции (см-, т. I, схема на
стр. 488). В дальнейшем мы еще вернемся к этому вопросу, чтобы
объяснить, почему некоторые соединения, аутоксидация которых
сенсибилизируется хлорофиллом, не вызывают тушения флуоресценции
(см. стр. 199).
Иногда изомерная молекула, образующаяся в результате поглоще-
ния света, имеет некоторую вероятность вновь вернуться в начальное
электронно возбужденное состояние (например, при помощи тепловой
энергии). Продукты фотохимической диссоциации также могут в не-
которых случаях образовывать электронно возбужденную молекулу
путем рекомбинации. Если это точное обращение первичного фото-
химического процесса происходит по истечении некоторого периода
времени, более продолжительного, чем длительность обычной флуо-
ресценции (10-1 сек.), мы наблюдаем явление задержанной флуо-
ресценции, или фосфоресценции. Химические реакции метастабиль-
ного, изомерного фотопродукта или продуктов диссоциации ведут
к тушению этой задержанной флуоресценции. Таков механизм силь-
ного тушения фосфоресценции многих красителей кислородом (см.
стр. 200).
Перенос электронной энергии*. Передача электронной энергии
возбуждения целиком другому типу молекул может вести к тушению
флуоресценции первоначально возбужденной молекулы либо путем
замены этой первичной флуоресценции вторичной (более сильной или
более слабой), «сенсибилизированной» флуоресценцией тушителя,
либо (если тушитель не флуоресцирует) путем полной конверсии
энергии возбуждения в тепло.
Известны три типа (или скорее три предельных случая) механизма
переноса электронной энергии.
Процессы первого типа, единственно возможные в тех случаях,
когда расстояние между возбужденной молекулой и тушителем пре-
* Вопросы передачи энергии рассмотрены в недавнем обзоре А. Н. Те-
ренина (Успехи физ. наук, 43, 347, 1951). — Прим. ред.
Флуоресценция пигментов in vitro
167
вышает 10~б см (для квантов видимого света), являются обычными
и состоят в испускании светового кванта первично возбужденной
молекулой и в реабсорбции этого кванта молекулой тушителя. Этот
процесс подобен реабсорбции флуоресценции (см. стр. 153).
Механизм второго типа состоит в передаче энергии посредством
соударений (так называемых «ударов второго рода») или «встреч»,
если воспользоваться термином, более подходящим для молекул в
растворе. Этот процесс связан с взаимным нарушением электрон-
ных структур обеих соприкасающихся молекул и требует сближения
молекул до диаметров соударения (10-8—IO-7 см). В этом случае
обмен энергии не тождественен «резонансу» между электронно воз-
бужденными состояниями обоих партнеров, так как значительная
доля электронной энергии может быть превращена в колебатель-
ную или кинетическую энергию при соударении.
Третья и, может быть, наиболее интересная возможность — это
«резонансный перенос» энергией электронного возбуждения между
двумя практически невозмущенными молекулами. Такой перенос мо-
жет произойти, когда эти молекулы* сближаются до расстояний, мень-
ших, чем длина волны передаваемого кванта (—10~5 см для види-
мого света), причем он не требует действительного «контакта» между
молекулами.
Вероятность передачи этого рода решающим образом зависит от ре-
зонанса между молекулами, обменивающимися энергией, т. е. от взаим-
ного перекрытия полосы флуоресценции донора и полосы поглощения
акцептора. Это явление впервые обсуждалось Кальманом и Лондоном
в применении к сенсибилизированной флуоресценции в газах. Позднее
аналогичные соображения в применении к растворам были развиты
Ж. Перреном [8, 10], который использовал классическую электроди-
намику. Ф. Перрен [И, 16] впервые попытался дать явлению кван-
тово-механическую трактовку. Он использовал этот механизм переноса
энергии для объяснения так называемой концентрационной деполяри-
зации флуоресценции в растворе (уменьшение степени поляризации
при увеличении концентрации). Впоследствии некоторые другие явле-
ния флуоресценции и фотохимии были приписаны обменным процессам
этого типа и более совершенное теоретическое толкование было
развито в работах Вавилова и его сотрудников [65—67], а также
Фёрстером [71, 73, 76] и Арнольдом и Оппенгеймером [91]. Ввиду
того, что представления о резонансном переносе энергии могут сыграть
важную роль в выяснении фотохимического механизма фотосинтеза
(особенно при объяснении возможной роли фикобилинов и каротиноидов
в этом процессе), перечисленные работы будут более подробно рас-
смотрены в гл. XXX и XXXII. Здесь мы упомянем лишь о возможно-
сти тушения или возбуждения флуоресценции хлорофилла путем
резонансного переноса энергии возбуждения, не требующего контакта
молекул. В качестве примеров можно напомнить тушение флуоресцен-
ции красителей другими красителями (стр. 188), флуоресценцию
168
Глава XXIII
хлорофилла а, сенсибилизированную хлорофиллом b (стр. 291), и
перенос энергии между пигментами in vivo (гл. XXIV и XXXII). Само-
тушение также может происходить вследствие резонанса (стр. 208).
Концентрационное тушение (самотушение). Опыт показывает,
что тушение молекулами, идентичными с возбужденными, часто
особенно сильно. Это проявляется в быстром уменьшении выхода
флуоресценции при возрастании концентрации флуоресцирующего
пигмента. Такое сильное концентрационное тушение, вероятно,
связано с очень близким резонансом между флуоресцирующей моле-
кулой и тушителем. Однако резонансный перенос электронной энергии
сам по себе не объясняет концентрационного тушения, так как
с точки зрения выхода флуоресценции безразлично, ^задерживается ли
энергия возбуждения у первоначально возбужденной молекулы или
передается другой молекуле того же рода. Несмотря на это,
самотушение может обусловливаться резонансом, если принять во
внимание некоторые дополнительные явления. Эффективное рассея-
ние энергии может вызываться или кинетическими встречами воз-
бужденных и нормальных молекул пигмента (кинетическое тушение)
или их тесной средней близостью (статическое тушение). В первом
случае мы можем постулировать преходящее образование димер-
ных молекул во время столкновения. Резонанс типа D*D DD*
порождает силу притяжения, ведущую к более тесному контакту
двух электронных систем, по сравнению с тем, что получается при
соударении двух нерезонирующих молекул. Это может вести к отно-
сительно ускоренному переходу электронной энергии в колебательную;
молекулы, которые встречаются как D* -f- D, могут поэтому покидать
друг друга как D-J-D.
Резонансный перенос энергии возбуждения на расстояния, превы-
шающие диаметр соударения, также может объяснить самотушение,
если сделать некоторые воспомогательные предположения. Например
Фёрстер [73, 76] полагает, чго даже растворы красителей, которые
не дают равновесия димеризации, т. е. не обнаруживают влияния
концентрации на спектр поглощения (см. ниже), содержат небольшое
число нефлуоресцирующих, димерных молекул. Если резонансный
обмен энергии возбуждения совершается настолько быстро, что эта
энергия передается за промежуток, равный времени жизни возбужден-
ной молекулы, значительному числу (скажем, больше 100) молекул
пигмента, то присутствие даже одного димера в этом множестве будет
уже достаточным для улавливания энергии возбуждения и рассеяния
ее в тепло. Разумеется, для того чтобы этот механизм был эффектив-
ным, полоса поглощения димера и полоса флуоресценции мономера
должны достаточно перекрываться, обеспечивая тем самым возможность
резонансного обмена.
Франк и Ливингстон [82] выдвигают другую возможность, пред-
положив, что «улавливание» энергии может осуществляться мономе-
Флуоресценция пигментов in vitro
169
рами, которые находятся в состоянии исключительно сильных тепловых
колебаний. Эта гипотеза объясняет также уменьшение интенсивности
флуоресценции, обычно наблюдаемое при повышении температуры.
Ускоренное рассеяние электронной энергии «горячими» молекулами
правдоподобно, так как, для того чтобы превратить электронную
энергию в колебательную, должна быть достигнута такая конфигура-
ция ядер, при которой электронная система будет иметь одну и ту
же энергию в возбужденном и в нормальном состоянии (точка пересе-
чения двух потенциальных кривых в двухатомной модели). Эта кон-
фигурация обычно может достигаться только путем комбинации
электронного возбуждения с колебаниями определенного типа; воз-
бужденная молекула должна ждать, пока случайная флуктуация
теплового движения снабдит критическую степень свободы молекулы
количеством колебательной энергии, необходимым для осуществления
внутренней конверсии. Чем выше температура, тем короче должен
быть этот период ожидания и тем больше вероятность внутренней
конверсии, происходящей в течение периода электронного возбужде-
ния и успешно конкурирующей с флуоресценцией.
Естественно задать вопрос: каким же путем резонансная миграция
энергии возбуждения может содействовать механизму диссипации?
Не все ли равно, останется ли возбуждение у одной и той же моле-
кулы в ожидании термической флуктуации, которая позволит осуще-
ствиться рассеянию, или это возбуждение за то же самое время
жизни обойдет тысячу молекул, оставаясь у каждой из них в течение
соответственно более короткого времени? Мы уже говорили в другом
месте этой книги, что вероятная продолжительность жизни человека
не изменится от того, что он будет спать каждую ночь в другой
постели.
Приложима ли здесь эта аналогия или нет — зависит от относи-
тельной длительности термической флуктуации и электронного воз-
буждения. Если флуктуация длится недолго не только по сравнению
с полным временем электронного возбуждения, но и со временем,
в течение - которого возбуждение остается у отдельной «молекулы-
хозяина», то миграция не будет иметь эффекта: вероятность быть
убитым молнией остается одной и той же — пережидать ли грозу
под одним деревом или каждую минуту переходить от одного дерева
к другому (тождественному с ним). Если, однако, состояние ненор-
мального термического возбуждения сохраняется у отдельной моле-
кулы в течение более длительного времени, чем электронное возбу-
ждение, то резонансный обмен должен усиливать вероятность совпа-
дения обоих состояний в одной молекуле. (Если в каждом из
100 городских домов имеются больные гриппом, то приехавший
в город путешественник, оставаясь все время в одном и том же
доме, будет в большей безопасности, чем в том случае, если он посе-
тит за это время сотню домов, оставаясь в каждом из них соответ-
ственно более короткое время.)
170
Глава XXIII
Предположим, что мы имеем два независимых события: одно
(электронное возбуждение), длящееся Т сек., и другое (термическая
флуктуация), длящееся t сек. Если разделить Т на п периодов, про-
должительностью Т/п сек. каждый, то вероятность того, что оба
события совпадут в одной и той же молекуле, изменится на множитель
ИП + 1>
который значительно отличается от 1, если t не слишком мало по
сравнению с Т/л, т, е. если продолжительность термической флуктуа-
ции не слишком мала по сравнению с временем жизни электронного
возбуждения отдельной молекулы. Можно считать, что первая длится
в течение немногих молекулярных колебаний, т. е. что t равно прибли-
зительно 10-12 сек. Полный период электронного возбуждения Т
составляет около 10~8 сек. Так, например, в спиртовом растворе
хлорофилла естественное время жизни возбужденной молекулы со-
ставляет приблизительно 5 • 10-8 сек.; действительное время жизни
должно быть раз в десять меньше, как показывает выход флуоре-
сценции, составляющий около 10%. При этом если t не удовлетво-
ряет условию	то число п должно превышать 104, т. е.
энергия возбуждения должна обмениваться более 10 000 раз до того,
как она рассеется (оставаясь в каждой молекуле, на которую она
переходит, меньше 10-12 сек.) Роль термически возбужденных
(«горячих») мономерных молекул красителя при концентрационном
тушении флуоресценции тем самым предопределяется этой минималь-
ной длиной цепи энергетического обмена и возможностью внутренней
конверсии, происходящей за время крайне короткого пребывания
электронной энергии в «горячей» молекуле. Можно предполагать,
что конверсия требует, по меньшей мере, одного периода отдельного
молекулярного колебания (~ 10~13 сек.). Это должно ограничивать
тушение «горячими» молекулами, в случае хлорофилла, до цепочки
длиной не менее 104 и не более 10б молекул.
Кроме рассмотренных до сих пор физических механизмов концен-
трационного тушения, возможны также и два химических процесса,
аналогичные двум механизмам химического тушения посторонними
веществами, которые мы обсуждали выше. Этими процессами являются:
окислительно-восстановительная реакция между возбужденной и нор-
мальной молекулой (фотодисмутация)
Chi* + Chi —v oChl 4- rChl	(23.3)
и образование нефлуоресцирующих димеров из двух нормальных
молекул:
Chl-[-Chl Chl2.	(23.4)
Димеризация молекул красителя облегчается тем, что заметное резо-
нансное притяжение должно иметь место не только между возбужден-
ной и нормальной молекулой (как указывалось выше), но также и
Флуоресценция пигментов in vitro
171
между двумя молекулами в невозбужденном состоянии (это применение
теории межмолекулярных сил Лондона к молекулам пигмента было
предложено в 1941 г. Рабиновичем и Эпштейном [53]). Стремление
молекул красителя димеризоваться или полимеризоваться в растворе
может быть приписано подобным резонансным явлениям. Во многих
случаях, может быть в большинстве из наблюдавшихся до сих пор,
самотушение флуоресценции, повидимому, скорее вызывается именно
«перманентной» димеризацией (или полимеризацией), чем реакцией (23.3)
или димеризацией после возбуждения. Уменьшение выхода флуоре-
сценции при возрастании концентрации является в таком случае
прямой непосредственной мерой степени ассоциации. Подобно неста-
бильным димерам, образующимся под действием света, стабильные
димерные молекулы, образующиеся в темноте, могут не флуоресци-
ровать вследствие быстрой внутренней конверсии энергии возбуждения
или вследствие внутренних процессов окисления — восстановления
(диспропорционирование). Мы уже упоминали, что комбинация димери-
зации с резонансным обменом энергии может вести к сильному
тушению даже тогда, когда число димерных молекул очень низко.
Вопрос о том, связано ли само тушение с димерами (или полиме-
рами), уже существующими в растворе, или оно вызывается встречами
возбужденных мономеров с невозбужденными (причем образуются
димеры), можно часто решить из рассмотрения спектров поглощения.
По наблюдениям Рабиновича и Эпштейна, в первом случае спектры
поглощения красителей изменяются с концентрацией, как было отме-
чено, например, в растворах тионина и метиленового синего; во втором
случае спектр поглощения подчиняется закону Бэра, т. е. не зависит
от концентрации. Тушение через посредство цепной реакции обмена
энергии с димером как случайным звеном цепи (предположение
Фёрстера) также не требует заметных отклонений от закона Бэра,
так как число имеющихся димеров может быть очень малым.
Какой из этих процессов тушения или самотушения на самом
деле ограничивает выход флуоресценции в данном растворе — сказать
трудно. Если пигмент фотостабилен и его флуоресценция не изме-
няется после длительного облучения, имеет место, повидимому, процесс
физического тушения. Правда, даже тогда, когда происходит хими-
ческое тушение, краситель может быть фотостабильным, если реакция
тушения обратима; выход флуоресценции может сохраняться без
изменения во времени даже в тех случаях, когда тушение начинает
необратимую сенсибилизированную химическую реакцию, если про-
дукты этой реакции не тушат флуоресценцию сильнее или слабее,
чем первично присутствующие разновидности молекул. Обычно, однако,
химическое тушение не вполне обратимо и сопровождается более
или менее быстрыми химическими изменениями флуоресцирующего
пигмента; сенсибилизированные же химические реакции часто ведут
именно к образованию продуктов, присутствие которых изменяет
интенсивность флуоресценции. Когда это имеет место, выход флуо-
172
Глава XXIII
ресценции должен меняться во времени либо вследствие того, что
исходное флуоресцирующее соединение превращается в другое со-
единение с другими свойствами, либо потому, что выход флуоресцен-
ции исходного вещества изменяется в зависимости от накопления
продуктов сенсибилизированной реакции. Поэтому изменение выхода
(или спектра) флуоресценции со временем является сильным аргумен-
том в пользу того, что, по меньшей мере, часть тушащего действия
обусловлена химическими факторами (см., например, стр. 173).
Для более полного выяснения механизма тушения необходимо систе-
матическое изучение влияния растворителя, концентрации, примесей,
температуры и других факторов на выход флоуресценции. До сих
пор этот вопрос обсуждался нами скорее с точки зрения общих за-
кономерностей, нежели на основании действительных наблюдений
с хлорофиллом. Исследования этого рода должны представлять осо-
бый интерес для понимания механизма сенсибилизированных фотохи-
мических реакций, подобных фотосинтезу. Со времени написания
этого обзора Ливингстоном и сотрудниками было собрано значитель-
ное количество соответствующих данных, обсуждение которых при-
водится ниже.
Если рассмотреть немногие имеющиеся данные по интенсивности
флуоресценции хлорофилла в различных средах, то создается впе-
чатление, что в этих системах имеют место и физические процессы
рассеяния энергии, и процессы химического тушения; однако остается
еще сделать многое до того, как относительная роль этих процессов
станет ясной.
Франк и Вуд [36] высказали предположение, что выход флуорес-
ценции хлорофилла в растворе может ограничиваться фотохимической
диссоциацией пигмента (например, на монодегидрохлорофилл и водо-
родный атом). Эта гипотеза обсуждалась в гл. XVIII (т. I, стр. 489),
причем было указано, что квант красного света (с энергией около
40 ккал!эйнштейн) не может, повидимому, разорвать связь С—Н
(энергия которой приблизительно равна 100 ккал!моль), даже если
часть энергии добавляется при сольватации водородного атома. Таким
образом, если поглощение света вызывает обратимые фотохимические
изменения хлорофилла, то более вероятно, что эти изменения будут
проявляться либо в таутомеризации, либо в реакции с растворите-
лем. Диссоциации, скорее, следует ожидать в тех случаях, когда
возбуждение осуществляется сине-фиолетовым светом с квантами ве-
личиной около 60 ккал)эйнштейн', мы уже упоминали, что это яв-
ляется одним из возможных объяснений более низкого выхода флуо-
ресценции в этой области.
Кажется правдоподобным, что диссипация энергии путем внутрен-
ней конверсии является основным фактором, ограничивающим выход
флуоресценции хлорофилла в конденсированных системах; возможно
также, что в этой диссипации (согласно Франку и Ливингстону [56])
более или менее постоянным промежуточным звеном является тауто-
Флуоресценция, пигментов in vitro
173
меризация (см. т. I, стр. 493). Химические взаимодействия с раство-
рителем или примесями так же, как и самотушение, следует в таком
случае рассматривать как дополнительные факторы, обусловливающие,
при определенных условиях, дальнейшее уменьшение выхода флуорес-
ценции. По Льюису и Каша (см. стр. 202—204), образование ме-
тастабильного триплетного состояния может играть роль, которую мы
приписали выше таутомеризации.
Влияние растворителя на выход флуоресценции
хлорофилла
Хлорофилл флуоресцирует во всех или в большинстве органиче-
ских растворителей так же, как и в воске и парафине, но с различ-
ной интенсивностью. Точных измерений интенсивности флуоресценции
в различных растворителях не имеется, однако в ряде работ [23, 25,
26, 54 и 63] опубликованы некоторые предварительные результаты;
все авторы этих работ согласны в том, что существуют большие
различия как в начальной интенсивности флуоресценции в различных
растворителях, так и в ее изменениях со временем (табл. 27).
Таблица 27
ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА ВО ВРЕМЕНИ
В РАЗНЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ')
(по Цшейле и Гаррису [63])
Время освещения, мин.	Интенсивность флуоресценции (в относительных единицах)					
	этиловый эфир	изопропи- ловый эфир	ацетон	цикло- гексан	бензол	четырех- хлористый углерод
0,25	57,5	144	178	61,0	по	90,5
1	54,0	139	167	49,0	71,0	44,5
2	51,5	134	163	44,0	55,6	29,0
3	—	130	161	42,8	44,0	21,0
*) По данным Франка и Леви [23]. флуоресценция хлорофилла в этаноле приблизительно
вдвое сильнее флуоресценции в анилине.
Позже Ливингстон с сотрудниками нашли, что флуоресценция
очень слаба или совсем отсутствует в неполярных растворителях,
если они не содержат следов воды, спиртов или аминов.
Можно ожидать влияния растворителя на выход флуоресценции,
каков бы ни был механизм тушения. Даже вероятность «мономоле-
кулярного» химического тушения посредством диссоциации (или тау-
томеризации) возбужденной молекулы, повидимому, зависит от сте-
пени стабилизации продуктов (или таутомерных форм) путем сольва-
174
Г ла ла ХХП1
тации. Так, например, хорошо известно влияние растворителя на
энолизацию — таутомерное превращение, к которому способен хлоро-
филл (см. т. I, стр. 448). Явление самотушения также может сильно
варьировать в зависимости от растворителя, на что указывают, на-
пример, значительные различия стабильности димерных молекул кра-
сителя в воде и спирте. Скорость физического рассеяния энергии
возбуждения посредством внутренней конверсии так же должна зави-
сеть от свойств среды, которой должны быть отданы колебательные
кванты, чтобы рассеяние стало необратимым. Накрнец, вероятность
бимолекулярного химического тушения посредством реакции со средой,
очевидно, зависит от природы и чистоты растворителя.
Можно ожидать, что физическое тушение флуоресценции раство-
рителем будет менее значительным в растворителях с симметричными
неполярными свойствами, например в циклогексане или четыреххло-
ристом углероде. Однако последние данные говорят о том, что хло-
рофилл в растворителях этого типа флуоресцирует менее сильно,
чем в более полярных или более поляризуемых растворителях. Эго
подтверждает ту мысль, что химические взаимодействия молекул
пигмента могут часто иметь, по крайней мере, такое же значение,
как и физические процессы рассеяния. Быстрое уменьшение флуорес-
ценции со временем, обнаруженное во многих растворах хлорофилла
(например, в бензольных растворах и в четыреххлористом углероде),
также говорит о химическом взаимодействии; связано ли это с самим
растворителем или с какими-либо примесями к нему (например, рас-
творенным кислородом), пока еще неясно. Не выяснено также, обу-
словлено ли быстрое уменьшение флуоресценции химическим превра-
щением хлорофилла или образованием путем реакции, сенсибилизиро-
ванной хлорофиллом, каких-то веществ с сильно тушащими свойствами.
Альберс и Кнорр [21, 26] и Кнорр [54] наблюдали изменения
в спектре флуоресценции хлорофиллов а и Ь во времени в различ-
ных растворителях (эфир, ацетон, бензол и метанол), находящихся
в равновесии с различными газами (воздух, кислород, углекислота и
азот). Они обнаружили весьма разнообразные изменения в положе-
нии, форме и интенсивности полос флуоресценции. Эти изменения
не легко поддаются интерпретации и свидетельствуют о сложных хи-
мических превращениях. Очевидно, и растворитель, и растворенные
в нем газы принимают участие в химических реакциях с возбужден-
ными молекулами хлорофилла. В некоторых системах эти реакции
ведут к полному исчезновению флуоресценции уже после часового
облучения. Одна из причин запутанности результатов Кнорра и Аль-
берса состоит в том, что они применяли нефильтрованный свет мощ-
ной ртутной дуги. Интенсивное ультрафиолетовое излучение могло
в данном случае вызвать реакцию хлорофилла с веществами, которые
не действуют на него в видимом, особенно в красном, свете.
Кнорру и Альберсу принадлежит следующее странное наблюдение:
флуоресценция хлорофилла а (но не хлорофилла Ь) в ацетоне (но не
Флуоресценция пигментов in vitro
175
в других растворителях) лучше всего сохраняется в атмосфере кис-
лорода, где она исчезает только после 20 час. освещения, в то время
как в азоте или углекислоте она исчезает полностью раньше, чем
через час. Как упоминалось в гл. XVIII (т. I, стр. 495), это может
указывать на то, что тушение флуоресценции в ацетоне связано с вос-
становлением пигмента и окислением растворителя, а кислород пере-
водит восстановленный пигмент в его первоначальную флуоресцирую-
щую форму (см. гл. XXXVI).
Мы говорили до сих пор только о тех изменениях интенсивности
флуоресценции, которые обусловливаются взаимодействием молекулы
хлорофилла в возбужденном состоянии со средой. Однако во вве-
дении было упомянуто, что может иметь место и другой тип эффек-
тов флуоресценции, при котором изменение молекулы хлорофилла
происходит еще в темноте, до возбуждения. Это изменение должно
проявляться в изменении спектра поглощения. Одно из возможных
изменений этого типа обусловлено тем, что хлорофилл способен ди-
меризоваться или полимеризоваться в некоторых растворителях, оста-
ваясь мономерным в других. Как известно, димеризация приводит
к исчезновению флуоресценции у многих красителей, таких, напри-
мер, как метиленовый синий в водных растворах. У хлорофилла по-
добных явлений до сих пор еще не обнаружено, если не рассматри-
вать отсутствие флуоресценции коллоидных растворов и твердого
хлорофилла как результат тушения, связанного с полимеризацией.
Другой тип ассоциации, однако, должен иметь важное значение в этом
случае; это — ассоциация молекул хлорофилла с гидроксильными
группами или аминогруппами, имеющимися в молекулах растворителя;
по контрасту с тушащим действием димеризации ассоциация этого
типа, повидимому, необходима для появления флуоресценции хлоро-
филла.
Это заключение вытекает из замечательных наблюдений, описан-
ных Ливингстоном, Ватсоном и Мак-Ардлом [85]. В противополож-
ность тому, что было общепринято ранее, они нашли, что растворы
хлорофилла в неполярных органических растворителях не флуоресци-
руют вовсе или только очень слабо, но присутствия следов таких
полярных примесей, как вода или метанол, достаточно, чтобы акти-
вировать их флуоресценцию.
В этом исследовании Ливингстон и его сотрудники использовали
для возбуждения ртутную дугу (главным образом линии 436 и 405 з/ia).
Излучение флуоресценции проходило через темнокрасный фильтр,
так что измерялась только вторая полоса флуоресценции хлорофилла а
(720 лг;г); это исключало реабсорбцию. Было также установлено, что
положение второй полосы менее сильно зависит от растворителя, чем
положение первой полосы, которая может сдвигаться даже на 7,6 мр.
Однако это наблюдение кажется странным, так как нельзя предпо-
лагать значительных различий в действии растворителя на две эмис-
сионные полосы, начинающиеся, повидимому, в одном и том же воз-
176
Глава ХХШ
бужденном состоянии и ведущие к двум соседним колебательным
уровням самого низкого состояния.
Растворы хлорофилла в сухих углеводородах были получены путем
выпаривания в вакууме растворов хлорофилла а или Ь, растворения
остатка в сухом углеводороде и повторногЪ выпаривания. Операция
повторялась до тех пор, пока не удалялась вся вода, которая могла
присутствовать в хлорофилле при его приготовлении; исчезновение
Квадратный корень из молярной концентрации спирта
Фиг. 111. Интенсивность флуоресценции хлоро-
филла в системе октанол — бензол [80].
флуоресценции было критерием сухости. Затем прибавлялись различ-
ные полярные активаторы, растворенные в том же самом сухом угле-
водороде.
В абсолютно чистом сухом бензоле интенсивность флуоресценции (F)
была меньше 3% от обычно наблюдаемой в этом растворителе (Fo);
даже эта слабая флуоресценция могла, быть может, обусловливаться
остаточной влажностью или присутствием других полярных примесей.
Добавление О,О1°/о воды (6 • 10-5 моль[л ЩО) усиливало F до обыч-
ного уровня Fo .
Нефлуоресцирующими оказались также растворы хлорофилла в сле-
дующих растворителях: «-гептане, изооктане, стероле, хлорбензоле,
четыреххлористом углероде и дифениловом эфире; с другой стороны,
растворы в метаноле, этаноле, октаноле, диметиловом эфире и ди-
этиловом эфире сохраняли флуоресценцию даже после высушивания.
Однако авторы указывают, что флуоресценция в двух последних раство-
рителях, возможно, обусловливалась остаточными загрязнениями.
На фиг. 111 приведены данные интенсивности флуоресценции,
в зависимости от состава смеси, в бензоле и октаноле. Флоуресцен-
ция полностью активируется 0,0016 моля спирта в 1 моле углево-
дорода, что соответствует концентрации ~ 10-3 моль)л. Аналогич-
ные соотношения были найдены в смесях бензола с другими полярными
Флуоресценция пигментов in vitro
177
растворителями — спиртами и аминами. На фиг. 112 представлены на-
чальные отрезки пяти кривых активации. В табл. 28 даны молярные
концентрации активаторов, необходимые для усиления интенсивности
флуоресценции до */2 Fo; они колеблются от 6,8 • 10-2 моль/л для
Фиг. 112. Интенсивность флуоресценции хло-
рофилла в углеводородах как функция концен-
трации активатора [80].
Номер кривой	/	II	III	IV	V
Растворитель .	н-Гептан	Бензол	Бензол	Изооктан	Бензол
Активатор . .	Фенилги- дразин	Бензиловый спирт	Цетиловый спирт	Метанол	Пипери- дин
Хлорофилл . .	а	а или b	а	а	а
диметиламина в бензоле до 6,5 • 10~® моль!л для пиперидина в бен-
золе. Вода почти в 2 раза менее эффективна, чем пиперидин.
Хотя амины, вообще говоря, являются наиболее сильными акти-
ваторами, дифениламин и дифенилгидразин не дают эффекта. Замеча-
тельно, что фенилгидразин действует как активатор при малых кон-
центрациях и как тушитель при больших.
12 Зак. 4040. Е. Рабинович
178
Глава XXIII
Таблица 28
ЭФФЕКТИВНОСТЬ АКТИВАЦИИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРА ХЛОРОФИЛЛА
(5-Ю-® моль/л)
(по Ливингстону, Ватсону и Мак-Ардлу [85])
Растворитель	Активатор	[Ас|./2	А,
Бензол 		Днметиланнлин	6,8 • IO-2	1,05-10
» 		Фенол	6,0-10-2	1,55-10
» ........	Анилин	2,75- IO"3	4,55 • 10
н-Гептаи 		Фенилгидразин	8,0-10-4	1,70-103
Бензол 			6,5 -10-4	1,78-Ю3
	Формамид	4,3 -10-4	2,50 • 103
V			Бензиловый спирт	4,2 • 10-4	2,90 • 103
»	5	......	.	,	- 9	4,2-10-“	2,90 • 103
» 		Бензойная кислота	3,6 • ю-4	3,15-Юз ’
» 			Цетиловый спирт	2,9 • 10-4	4,15-Юз
	Октиловый „	2,0-10-4	4,57 • IO3
Изооктан			Метиловый »	1,1 • ю-“	1,03 • 104
Бензол 		Бензиламин	3,9-10-5	2,67 -104
	9	3,3-10-®	3,00-104
	Вода	3,5-10-8	2,95 -104
”		1	н-Гептиламин	7,5 -10-®	1,36- Ю5
	1	Пиперидин	6,5 • 10-®	1,56 • 105
О Хлорофилл Ъ.
Максимальная интенсивность флуоресценции, которую может дать
хлорофилл в нефлуоресцирующем растворе под влиянием активато-
ров, не зависит от характера примененного активатора, по крайней
мере в первом приближении.
Активация, повидимому, вполне обратима; другими словами, флуо-
ресценция исчезает, если мы удалим активатор, и вновь появляется
при его добавлении.
Спектр флуоресценции не изменяется заметно при нарастающей
активации, по крайней мере в бензольно-водных смесях: положение
пиков двух полос остается одним щ тем же при F/Fo, равном 0,2
0,8 и 1,0. Спектр поглощения хлорофилла, как указывалось в гл. XXI,
претерпевает изменения при возрастающей примеси активатора (см.
фиг. 29 и 30). Спектр поглощения полностью активированного раствора
хотя и отличается от неактивированного, но не зависит от природы
активатора и не имеет отношения к спектру поглощения хлорофилла
в чистом активаторе.
Флуоресценция активированных растворов гаснет при возрастании
температуры (15—70°), особенно сильно в области частичной актива-
Флуоресценция пигментов in vitro	179
ции. Максимальная интенсивность Fo линейно зависит от темпера-
туры в сравнительно широких пределах (аналогичное соотношение
было найдено также Цшейле и Гаррисом [63]). В частично активи-
рованных растворах температурная кривая не только идет круче, чем
кривая полностью активированного раствора, но также обнаруживает,
по крайней мере для некоторых активаторов, заметную кривизну.
Концентрация наиболее сильных из известных активаторов, тре-
буемая для получения полной активации, выражается величиной того
же порядка, что и концентрация самого хлорофилла, составлявшая
в экспериментах Ливингстона и его сотрудников 5 • 10-6 моль j л. Это
показывает, что эффект активации не может обусловливаться кине-
тическими встречами молекул хлорофилла и активатора, которые слиш-
ком редки при таких низких концентрациях; он также не может быть
приписан изменениям свойств, например изменениям диэлектрической
постоянной растворителя в целом. Скорее, этот эффект следует при-
писать ассоциации молекул хлорофилла с молекулами активатора.
Изменение спектра поглощения подтверждает это предположение. Если
неассоциированная форма совершенно не флуоресцирует, то интенсив-
ность флуоресценции можно использовать для вычисления доли мо-
лекул хлорофилла, находящихся в ассоциированной форме, предпо-
ложив, что коэффициент поглощения ассоциированного хлорофилла тот
же, что и для неассоцированного. Фиг. 30 показывает, что это не
совсем верно для хлорофилла а в области около 436 мр. Однако
Ливингстон пренебрегает этой разницей. При допущении, что ком-
плекс состоит из одной молекулы хлорофилла и одной молекулы акти-
ватора [Chi • Ас,] константа равновесия ассоциации будет равна
к = WP4	(23Л‘4)
и может быть вычислена из концентрации, соответствующей половин-
ной активации [АсК:		
[Chi • Ас] =	_ JC[Chl]0 [Ас]0 1 + K[Ac]q ’	(23.45)
F	А[Ас]0	(23.4В)
Fo	l+tf[Ac]0’	
К	1 1Ас]1/2	(23.4Г)
ам. гл. XXVII, уравнение (27.12)]. Это упрощенное решение осно-
вано на допущении, что [Ас] [Ас]0; другими словами, здесь пред-
полагается, что количество активатора, связанного в комплексе, мало
по сравнению с полным его количеством, требуемым для полу-
чения активации. В табл. 28 концентрация [Ас • Chi] при половинной
активации равна 2,5 . 10~6 моль) л для пиперидина; так как [Ас] =
= 6,5 • 10~6, то [Ac]i;a = 4 • Ю~6 .иоль/л. Это значит, что упрощенная
формула не вполне приложима к пиперидину и к четырем остальным
12*
180
Глава XXIII
системам, приведенным внизу табл. 28. В этом случае приближенную
формулу (23.4Г) нужно заменить точным выражением
К== [Ас]1/а-О,5[СШ]о-	(23.4Д)
Ливингстон, однако, пользовался упрощенной формулой для всех
исследованных им систем. Более того, он вычислил константы К не
из значения [Ac]i/a, но из среднего наклона кривой активации. Полу-
ченные этим способом значения К даны в табл. 28; они несколько
отличаются (хотя порядок величин при этом сохраняется) от значе-
ний, которые должны были бы получиться из выражения (23.4Д);
например, для пиперидина получилось бы /С=2,2-10б вместо
1,6.10Б.
Отклонения от прямой линии, получаемой при нанесении
IglFo/F—1] в зависимости от [Ас]0, наблюдались Ливингстоном и
его сотрудниками при низких концентрациях активатора и были им
приписаны присутствию добавочного активатора Ас' (вероятно, воды).
Присутствию этого добавочного активатора они приписывают и
слабую флуоресценцию, наблюдающуюся даже при [Ас]0 = 0 (напри-
мер, F = 0,03 Fo в абсолютно чистом бензоле). Используя те же
предположения, что и раньше (асы.Ао = ®сы для возбуждающего света
и [Ас']0	[СЫ • Ас'|), и полагая, что добавочным активатором
является вода, Ливингстон и его сотрудники получили теоретические
кривые, хорошо отвечающие экспериментальным результатам.
Из констант равновесия К и их изменений с температурой были
вычислены значения AF, АН и AS для трех систем (табл. 29).
Таблица 29
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ ДЛЯ АССОЦИАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА
С АКТИВАТОРОМ В БЕНЗОЛЕ
Активатор	ккалцмолъ	дя, ккал/моль	AS.
Г ептиламин		—7,1	—6,0	3,3
Цетиловый спирт . . .	—5,0	—2,5	5,0
Анилин 		—2,3	—1,5	2,7
Так как Fo, повидимому, не зависит от природы активатора, то Ли-
вингстон допускает, что основной эффект ассоциации — это изоме-
ризация (или, скорее, таутомеризация) хлорофилла, например превра-
щение кето-формы в энольную. Если, как предполагает Ливингстон,
мы имеем здесь дело с тем самым превращением, которое обсужда-
лось в т. I (стр. 464), то алломеризованный хлорофилл не должен
его испытывать и поэтому должен сохранять свою флуоресценцию
Флуоресценция пигментов in vitro
181
в чистых углеводородах. Это заключение нуждается в эксперимен-
тальной проверке.
Ливингстон приписывает постулированную стабилизацию кето-
формы спиртами и аминами образованию водородных связей амино-
или гидроксигруппами (фиг. 113).
Флуоресценция эфирных растворов хлорофилла не соответствует
этой гипотезе, и нужны дальнейшие опыты, чтобы выяснить, будет
ли сохраняться флуоресценция при более тщательной очистке. Ливин-
гстон предлагает также другое возможное объяснение явлений актива-
ции. Оно состоит в том, что хлорофилл образует в чистых углево-
дородах нефлуоресцирующие димеры, которые затем диссоциируют
и О—^0
\с/ \0—
нх чн
Энольная форма,
стабилизированная водо-
родной связью (не флуорес-
цирует, стабильна в чис-
тых углеводородах)
Кето-форма
(нестабилизированная)
\ю\/
С—С—С.
8 н >
Стабилизированная
кето-форма
(флуоресцирует, стабильна
в присутствии амина или
спирта)
Фиг. 113. Таутомеризация и флуоресценция хлорофилла [85].
на флуоресцирующие мономеры при соединении с полярными моле-
кулами. Однако если бы это было верно, то следовало бы ожидать,
что степень активации будет зависеть от концентрации хлорофилла;
между тем немногие, несомненно предварительные, эксперименты не
обнаруживают разницы в значениях F,FQ между частично активиро-
ванными растворами хлорофилла в бензоле, содержащими 4,8 • 10~б;
1,5 • 10-4 и 2,3 • 10-4 моль: л хлорофилла.
Опыты, имеющие тесную связь с наблюдениями Ливингстона и
его сотрудников, были проделаны также Евстигнеевым, Гавриловой и
Красновским [89.] Изучая влияние кислорода на спектр поглощения
и флуоресценции хлорофилла, они прежде всего нашли, что это влия-
ние зависит от растворителя. В толуоле, гептане и четыреххлористом
углероде кислород увеличивает поглощение (см. стр. 56) и акти-
вирует флуоресценцию, тогда как в пиридине, этаноле, этилацетате,
ацетоне и бензоле (техническом) он не влияет на поглощение и тушит
флуоресценцию. Позже те же исследователи [90] нашли, что эти
эффекты обусловливаются не кислородом, а водяными парами. Во
влажном толуоле кислород тушит флуоресценцию так же, как в эта-
ноле или других полярных растворителях.
182
Глава XXIII
Евстигнеев с сотрудниками рассматривают два возможных меха-
низма действия полярных растворителей. Одна из этих возможностей,
совпадающая со второй гипотезой Ливингстона, объясняет влияние
растворителя явлениями димеризации. Другая отличается от основной
гипотезы Ливингстона; в ней допускается присоединение полярных
молекул к свободным местам координации в центральном атоме маг-
ния. Эта последняя гипотеза подтверждается тем, что полярные
молекулы не влияют на спектр поглощения и флуоресценции фео-
фитина; еще более убедителен тот факт, что такое же различие
в поведении обнаруживается между фталоцианином и его магниевым
комплексом, хотя эти соединения не содержат циклопентаноновой
структуры, так что интерпретация Ливингстона к ним не приложима.
Влияние концентрации на выход флуоресценции.
Самотушение. Флуоресценция хлорофилла
в коллоидах и адсорбатах
Самотушение флуоресценции в растворах хлорофилла исследова-
лось Вейль-Мальербом и Вейссом [69]. Они нашли, что при посто-
янной интенсивности освещения интенсивность флуоресценции в рас-
творе этилхлорофил лида в этаноле возрастает при увеличении кон-
центрации от 1 • 10-1 до 1 • 10-Б мольл\ это происходит вследствие
возрастания поглощения. Последнее становится практически полным
при концентрациях, превышающих 1 • 10-Б моль!л. При дальнейшем
увеличении концентрации интенсивность флуоресценции не остается
постоянной, а быстро спадает, уменьшаясь при 1 • 10-4 моль}л
до х/6 своего максимального значения. Между [СЫ] = 2-10-Б и
1 • 10-4 моль} л были измерены шесть точек, которые легли на
гиперболу
Д = С,(14-^[Chl]),	(23.5)
где F—интенсивность флуоресценции, k и С—константы. Констан-
та k была найдена из графика и оказалась равной k = 2 • 10Б сек~г.
Если сделать предположение (необоснованное), что интенсивность флу-
оресценции ограничивается исключительно самотушением, то можно
легко показать (см. уравнения на стр. 554, т. I), что константа k имеет
значение
k=kclkf,	(23.6)
где kc — константа скорости бимолекулярной реакции самотушения
Chl-J-Chl*	СЫ2(—> 2СЫ) . ’(23.7)
и kf—константа скорости мономолекулярпого процесса флуорес-
ценции:
Chi* —Chi + Av.	(23.8)
Флуоресценция пигментов in vitro
183
Обратная величина, 1/fep есть среднее время жизни возбужденной
молекулы, которое ограничивается только флуоресценцией. Известно,
что	сект1 (см. стр. 40). При fe = 2-105 сек-1, согласно
формуле (23.6), мы получаем следующее значение для kc:
kc^2  сек~'.	(23.9)
Вычисление основано на допущении, что реакция (23.7) является
единственной, ограничивающей выход флуоресценции. Однако урав-
нение (23.5) должно оставаться правильным, т. е. кривая само-
тушения должна оставаться гиперболой и в том случае, если
флуоресценция будет конкурировать не только с бимолекулярной
реакцией (23.7), но также с одним или несколькими мономолекуляр-
ными или псевдомономолекулярными превращениями возбужденной
молекулы, как, например, рассеянием энергии путем внутренней кон-
версии, таутомеризации или реакции с растворителем. В этом случае
константа k в уравнении (23.5) вместо значения (23.6) должна иметь
значение
k = kcl(kf+kd),	(23.10)
где kd — константа скорости мономолекулярной реакции конкури-
рующего процесса (или процессов) рассеяния энергии, соответствую-
щая сумме «внутренняя конверсия плюс таутомеризация» (% -ф- fez)
в формуле (19.5) (т. I, стр. 554).
В этом случае константа С не равна Fo (интенсивность флуорес-
ценции с квантовым выходом, равным 1), как предполагалось Вейссом
и Вейль-Мальербом, а должна иметь значение
C=Fokfi'(kf^kd).	(23.11)
Если предположить, что С — Fo, то данные Вейсса и Вейль-Маль-
ерба указывают, что выход флуоресценции ® = FjF0 = F/С соста-
вляет 4% при 1 • 10~4 моль/л и 21% при 2 • 10-5 моль!л (и, ко-
нечно, 100% при бесконечном разбавлении). Однако значение % не
было проверено путем экспериментального определения; поэтому
истинное значение Ёо может быть больше С, т. е. квантовый выход
флуоресценции может быть соответственно более низким, не дости-
гая 100% при бесконечном разведении.
Сравнение формул (23.10) с (23.6) показывает, что, уточняя
выводы Вейсса и Вейль-Мальерба, т. е. учитывая возможность вну-
тренней конверсии или других мономолекулярных процессов дезакти-
вации, можно было бы получить из данной этими авторами вели-
чины k значение kc, превышающее даже значение, данное в фор-
муле (23.9):
kc > 2 • 10'2.	(23.12)
Исключительно высокое значение константы скорости этой бимоле-
кулярной реакции внушает сомнение в правильности опытов Вейсса
и Вейль-Мальерба или, по крайней мере, в их интерпретации. Если
184
Глава XXIII
принять, что Chi* дезактивируется при первом же столкновении
с Chi, что вполне правдоподобно, то вышеприведенное значение kc
дает для среднего интервала между двумя соударениями (при
[Chi] = 1 моль/л)
/=5.10-з сек.	(23.13)
Это, по меньшей мере, на порядок величины меньше значения, полу-
чаемого по формуле для частоты соударений в газах, и на два или
три порядка меньше, чем оценка, основанная на скорости диффузии
молекул красителя в растворе.
Скорости тех реакций в растворе, которые происходят при пер-
вом или при одном из первых молекулярных соударений, в большей
степени определяются скоростью диффузии, которая обусловливает
встречи молекул, чем частотой соударений. Разграничение между
понятиями «встречи» (или «координации») и «соударения» и значе-
ние этого разграничения для кинетики реакций в конденсированных
системах обсуждалось Рабиновичем [44],
Необычность величины константы (23.12) иллюстрируется тем
обстоятельством, что для девяти других красителей, исследованных
теми же авторами, константа самотушения получается, по крайней
мере, в 2 000 раз меньше, а потому имеет порядок величины, кото-
рый можно ожидать на основании констант диффузии.
Можно думать поэтому, что выводы. Вейсса и Вейль-Мальерба
нуждаются в подтверждении. Их результаты, может быть, искажены
реабсорбцией, которую авторы не учли, считая ее не имеющей зна-
чения, «поскольку не было признаков поверхностной флуоресценции».
В их установке флуоресценция наблюдалась в направлении падающего
(ультрафиолетового) возбуждающего луча — расположение, благоприят-
ствующее реабсорбции. На результатах же, полученных с другими
девятью красителями, реабсорбция могла не сказаться так сильно
вследствие того, что полосы поглощения и флуоресценции перекры-
ваются здесь в меньшей степени.
Позднее Ливингстон [80] подтвердил экспериментально, что если
принять меры против реабсорбции, то концентрационное тушение
флуоресценции хлорофилла не обнаруживается вплоть до концентра-
ции 1,5 • 10“а моль]л. Вейсс [78] согласился с этим, но отметил,
что концентрационное тушение флуоресценции хлорофилла должно
иметь место при значительно более высоких концентрациях. Ливин-
гстон [80], используя кювету толщиной в 1 мм, продолжил измере-
ния вплоть до концентрации хлорофилла 0,10 моль)л в бутиловом
эфире и действительно нашел сильное концентрационное тушение
выше 2. Ю-з моль I л (фиг. 114); при 7 • 10~2 моль! л выход флуо-
ресценции составлял только 7°/0 выхода флуоресценции разбавленного
раствора. На фиг. 114,Б видна S-образная форма кривой.
Спектр поглощения хлорофилла а в бутиловом эфире, измерен-
ный при 2  10-2 моль)л (концентрация, при которой самотушение
Флуоресценция пигментов in vitro
185
снижает флуоресценцию приблизительно до 40°/о максимальной), не
отличается существенно от спектра в разбавленном растворе.
Дальнейшие наблюдения показали, что частично потушенная
флуоресценция концентрированного раствора хлорофилла сильнее пода-
вляется при увеличении температуры, чем флуоресценция разбавлен-
ного раствора.
Эти наблюдения—-неизменяемость спектра поглощения, S-образ-
ная кривая тушения и усиление концентрационного тушения при
Фнг. 114. А. Концентрационное тушение флуоресценции хлорофилла в бу-
тиловом эфире [86]. Б. Часть графика А в увеличенном виде.
повышении температуры — согласуются с прёдставлением о том, что
тушение наступает в результате рассеяния энергии возбуждения
в «слабом звене» цепи обмена энергии, как, например, в случае
димера (Фёрстер) или в «горячей» молекуле мономера (Франк и
Ливингстон). Концентрации, при которых тушение становится замет-
ным (2 • 10~3 молъ!л), имеют тот же порядок^ что и вычисленные
Фёрстером из представлений об обмене энергии (см. гл. XXXII).
Имеются многочисленные наблюдения, говорящие о том, что плот-
ная упаковка молекул хлорофилла в твердом хлорофилле или в моно-
слоях хлорофилла на воде приводит к полному исчезновению флуо-
ресценции. Коллоидный хлорофилл также, как правило, не флуорес-
цирует (Вильштеттер и Штоль [5], Штерн [6,7], Альберс [26],
186
Глава XXIII
Мейер [49]). Мейер описывает некоторые флуоресцирующие растворы
хлорофилла в этаноле как коллоидные, однако не приводит в пользу
этого никаких доказательств (см. Смит [52]). Полученные Мейером
водные коллоиды хлорофилла, в которых плотность частиц была
такой же, как и в гранулах хлоропластов, не давали флуоресценции.
Хлорофилл не флуоресцирует также и в адсорбированном состоянии,
например, на колонке из крахмала при хроматографическом разделе-
нии [51].
Если мы отнесем отсутствие флуоресценции твердого, коллоид-
ного и адсорбированного хлорофилла за счет самотушения и будем
считать его следствием плотной упаковки, то восстановление флуо-
ресценции под действием некоторых «защитных» веществ может быть
приписано или простому разбавлению пигмента, или нарушению взаи-
модействия между соседними молекулами пигмента. Среди соединений,
которые, по имеющимся сведениям, обладают такой защитной спо-
собностью, мы встречаемся прежде всего со всеми липоидами и
липофильными растворителями, Штерн [61, например, нашел, что все
хлорофилл-липоидные эмульсии в воде флуоресцируют, тогда как
чистый водный хлорофилловый золь не флуоресцирует. Флуоресцен-
ция коллоидов хлорофилла^ в присутствии лецитина описана Бэке-
ром [24]. Это может быть связано либо с истинным проявлением
защитного действия, либо просто с эффектом разбавления, так как
концентрация молекул хлорофилла в каплях липоида может быть ниже,
чем в частицах гидрозоля.
Зейбольд и Эгле [51] нашли, что хлорофилл на фильтровальной
бумаге флуоресцирует только в том случае, если раствор, из которого
он был адсорбирован, содержал липоиды, воск или другие липофиль-
ные органические вещества. Названные авторы использовали даже
отсутствие флуоресцентного кольца на полоске фильтровальной бумаги,
погруженной в раствор хлорофилла, как показатель чистоты раствора
и бумаги. Нефлуоресцирующие адсорбаты хлорофилла на крахмале
«вспыхивали», если они смачивались органическими растворителями
или если на них попадали пары эфира.
Вакки [28] приготовил посредством разбавления спиртовых рас-
творов возрастающими количествами воды серию коллоидных раство-
ров хлорофилла с липоидом (олеат натрия) и без него. Если олеат
не прибавлялся, то смещение полосы поглощения с 660 до 672 мр,
происходящее в узких пределах концентраций и рассматриваемое как
указание на переход от мономолекулярного состояния к агрегирован-
ному, сопровождалось полным исчезновением флуоресценции. В при-
сутствии олеата полоса поглощения начинала сдвигаться при том же
разведении, однако смещение останавливалось на 670 мр вместо 672,
и в то же время флуоресценция восстанавливалась. Путем вы-
саливания можно было осадить из этих флуоресцирующих кол-
лоидных растворов двоякопреломляющие «коацерваты» олеата хло-
рофилла.
Флуоресценция пигментов in vitro
187
Из всех этих наблюдений становится ясным, что липофильные
молекулы могут предохранять флуоресценцию хлорофилла от само-
тушения даже без разбавления пигмента и без нарушения связи
хлорофилла с белком или хлорофилла с целлюлозой.
Можно наглядно представить защитные молекулы как бы обвола-
кивающими липофильные части адсорбированной молекулы пигмента
(например, в случае хлорофилла — хвосты фитола) и тем самым на-
рушающими их взаимодействие. «Обволакивание» подвижных частей
молекулы может стабилизировать последние и препятствовать внутрен-
ней конверсии электронной энергии в колебательную. Это стабилизи-
рующее действие может проявляться в отдельной молекуле пигмента
так же, как и в комплексе из нескольких таких молекул. В свете
описанных выше недавних экспериментов Ливингстона можно обсу-
ждать также возможность того, что явления этого рода могут, пови-
димому, быть обусловлены таутомерными превращениями нефлуорес-
цирующей формы хлорофилла в флуоресцирующую.
Нельзя сказать, что ассоциация хлорофилла с белками сама по
себе может оказывать защитное действие на флуоресценцию. Правда,
препараты природного хлоропластина, видимо, флуоресцируют. Хотя
Смит [47] и назвал водные белковохлорофильные экстракты из листьев
шпината «нефлуоресцирующими», однако Ноак [9], Штоль и Виде-
ман [45] и Фишман и Мойер [58] обнаружили, что они слабо флуо-
ресцируют и флуоресценция сохраняется также в преципитатах, при-
готовленных из таких экстрактов путем высаливания. Вассинк, Катц
и Доррештейн [61] нашли, что выход флуоресценции почти один и
тот же (около 0,1%) в живых пурпурных бактериях и в пригото-
вленных из них водных коллоидных суспензиях комплекса бактерио-
хлорофилл— белок. Однако флуоресценция хлоропластина, повиди-
мому, должна быть приписана присутствию 30% липофильного
вещества. Искусственные комплексы, содержащие только хлорофилл
и белки, не флуоресцируют. Согласно Ноаку, адсорбаты хлорофилла
на глобине иногда слабо флуоресцируют; однако Зейбольд и Эгле [51]
предполагают, вероятно не без основания, что это нужно приписать
присутствию загрязнений липоидного характера. Отношение этих резуль-
татов к проблеме состояния хлорофилла в живой клетке обсуждалось
в гл. XIV (т. I). Мы уже говорили, что отсутствие флуоресценции адсор-
батов чистого хлорофилла на белках еще не является подтверждением
гипотезы Зейбольда о том, что флуоресценция хлорофилла in vivo
обусловливается малыми количествами хлорофилла, растворенного в
липоидной фазе; кажется более вероятным, что весь хлорофилл в ра-
стениях слабо флуоресцирует (несмотря на его высокую плотность
и независимо от его ассоциации с белками) вследствие его одновре-
менной связи с защитными веществами, как, например, жирами или
фосфолипидами [29]. Описанные выше опыты Ливингстона указывают
на ассоциацию с активирующими группами (такими, как ОН, NH
или SH) как на другое возможное объяснение флуоресценции.
188
Глава XXIII
Тушение и активация флуоресценции хлорофилла
примесями
В то время как ограничение выхода флуоресценции хлорофилла
в чистых растворах может обусловливаться как физическим рассея-
нием энергии, так и фотохимическими реакциями (таутомеризацией
или реакциями с растворителем), сильное тушение малыми количествами
(< 10~3 моль[л) посторонних веществ следует приписать химическим
взаимодействиям. Скорость физического рассеяния энергии, невиди-
мому, не может зависеть от сравнительно редких встреч возбужден-
ных молекул красителя с молекулами «тушителя» или от изменения
средних свойств растворителя, вызываемого тушителем; исключением
является случай резонанса, о котором будет сказано ниже.
Как уже отмечалось в данной главе, два наиболее распространен-
ных механизма химического тушения представляют собой окислительно-
восстановительные процессы [см. уравнение (23.1)] и образование
комплексов [см. уравнение (23.2)]. Последнее особенно вероятно в тех
случаях, когда тушителем является другой краситель с перекрываю-
щейся полосой поглощения, так что условия близки к самотушению.
При этом постоянная связь тушителя с флуоресцирующей молекулой
также, повидимому, может иметь место (аналогично постоянной диме-
ризации, рассмотренной на стр. 170). Изучение влияния тушителя
на спектр поглощения флуоресцирующего вещества и зависимости
тушения от концентрации тушителя может помочь отличить тушение
вследствие комплексообразования от тушения, происходящего при
кинетических встречах; однако в настоящее время для растворов
хлорофилла таких данных очень мало. Наконец, по аналогии с выше-
описанным механизмом самотушения (стр. 168), должна существовать
еще одна возможность тушения, когда тушитель находится «в резо-
нансе» с флуоресцирующей молекулой — случай тушения без обра-
зования комплекса и без кинетических соударений. Тушение будет
происходить путем передачи энергии возбуждения на расстояния,
значительно большие, чем диаметры соударения. Если молекулы туши-
теля не флуоресцируют, то они будут служить «ловушками» так же,
как это было постулировано Фёрстером для димеров. Вавилов и его
сотрудники [75, 87, 88] нашли соответствующие примеры этого типа
тушения флуоресценции красителей другими нефлуоресцирующими
веществами, способными к резонансу с ними. Однако сильные туши-
тели, перечисленные в табл. 30, обязаны своей эффективностью,
конечно, не резонансному механизму передачи. Все они являются
окислителями, и это указывает скорее на химическое взаимодействие,
нежели на физический перенос энергии. Кроме того, они не имеют
полос поглощения в красной области спектра и поэтому не могут
находиться в резонансе с возбужденными молекулами хлорофилла.
Их самые низкие возбужденные уровни должны лежать значительно
выше флуоресцентного уровня А хлорофилла.
Флуоресценция пигментов In vitro
189
Среди веществ, тушащее действие которых на флуоресценцию
хлорофилла изучено более подробно, встречаются вещества, уча-
ствующие в реакциях самоокисления, сенсибилизируемых хлорофил-
лом, а именно: молекулярный кислород и окисляющиеся субстраты,
как, например, бензидин, аллилтиомочевина и др. Вследствие большого
значения этих результатов для анализа механизма сенсибилизирован-
ного самоокисления о них отчасти упоминалось уже в т. I (см. гл. XVIII,
стр. 487 и 525, и гл. XIX, стр. 553).
Тушение кислородом флуоресценции различных красителей (вклю-
чая хлорофилл) было впервые исследовано Каутским и его сотрудни-
ками. Каутский и Гирш [13] установили, что флуоресценция неко-
торых красителей, адсорбированных на силикагеле, значительно
ослабляется в присутствии кислорода при давлении в несколько сот
миллиметров, и их послесвечение (фосфоресценция) уже полностью
подавляется при значительно меньших давлениях этого газа. Позднее
подобное тушение наблюдалось в растворах флуоресцирующих кра-
сителей, включая растворы хлорофилла в ацетоне.
Согласно Каутскому, Гиршу и Флешу [27], тушение флуоресцен-
ции хлорофилла пропорционально парциальному давлению кислорода
и не обнаруживает эффекта насыщения даже при парциальном давле-
нии в 1 атм.
Франк и Леви [23] и Вейль-Мальерб и Вейсс [59] нашли, что
флуоресценция растворов хлорофилла или этилхлорофиллида в этаноле
снижается при давлении кислорода в 1 атм на 30—35°/0 (сравни-
тельно с ее интенсивностью в отсутствие кислорода). Это указывает,
что половинное тушение должно обнаруживаться при давлении О2
около 2 атм, соответствуя концентрации 10-2 моль!л (см. табл. 30).
Время жизни флуоресцентного состояния хлорофилла в этанольном
растворе оценено в 8 • 10 сек. (см. стр. 41). Среднее время,
в течение которого возбужденная молекула хлорофилла может суще-
ствовать до первой ее встречи с молекулой растворителя, концентра-
ция которого составляет 10-2 моль/л, также имеет порядок 10~8 сек.
Точной формулы для вычисления интервалов между соударениями
в растворах не имеется, однако эти промежутки, повидимому, могут
быть в 10—100 раз больше, чем в газах при тех же концентрациях.
Поэтому можно считать, что возбужденные молекулы хлорофилла,
находящиеся в состоянии А, испытывают тушение при первой же
или при одной из первых встреч с молекулой кислорода.
Природа этого взаимодействия неизвестна, однако вероятнее всего,
что это самоокисление хлорофилла. Каутский высказал другую гипо-
тезу и продолжал ее отстаивать, несмотря на многочисленные крити-
ческие замечания. Согласно этой гипотезе, взаимодействие является
переносом всей энергии электронного возбуждения от Chi* к О2. Это
представление основывалось на некоторых наблюдениях, сделанных
Каутским и де Брюйном [15] и Каутским, де Брюйном, Ньювиртом
190
Глава XXltl
и Баумейстером [17] при изучении самоокисления красителя лейко-
малахит зеленого, адсорбированного на силикагеле. Они нашли, что
в атмосфере кислорода при очень низком давлении, порядка 10-4 мм,
эта реакция может быть сенсибилизирована красителем (трипофлави-
ном), адсорбированным на других частицах геля. Каутский объяс-
няет передачу сенсибилизирующего действия через воздушные проме-
жутки, отделяющие краситель от акцептора, предполагая, что воз-
бужденные молекулы красителя передают свою энергию молекулам
кислорода:
D' + O2->D+°2-	(23.14)
Этим же процессом, по его мнению, объясняется и тушение флуо-
ресценции. Каутский предположил, что передача энергии превращает
обычный кислород в метастабильную активную форму, идентифици-
рованную как состояние из спектроскопических данных известно,
что этот уровень расположен на 37,3 ккал'!моль выше основного со-
стояния 3П. После того как Гаффрон заметил, что инфракрасное воз-
буждение бактериохлорофилла < 37 ккал, Каутский [40] предположил,
что другое состояние, а именно: 2Д (23 ккал^моль), может выполнять
ту же роль. Оба состояния метастабильны, так как их мультиплет-
ность (сингулет) отлична от основного состояния (триплет). Тот же
самый принцип положен Льюисом и Каша в основу более поздней тео-
рии метастабильных триплетных состояний в молекулах с сингулет-
ными основными состояниями.
Другое возможное химическое объяснение механизма тушения
кислородом было дано Вейссом [32]. Он постулировал самоокисление
(дегидрогенирование) красителя:
D*-f-O2 —> HO24-oD	(23.15)
(о обозначает окисленную форму). Радикал НО2 может диффундиро-
вать через воздушные промежутки и обусловливать эффекты окисле-
ния, приписанные Каутским метастабильным молекулам кислорода.
Реакции типа (23.15) могут объяснять не только тушение флуо-
ресценции адсорбированных красителей, но также и тушение флуо-
ресценции красителей, растворенных в органических растворителях.
Так как квантовый выход необратимого фотоокисления хлорофилла
в чистых органических растворителях очень мал (т. I, стр. 509),
реакция (23.15), если она обусловливает тушение, должна быть прак-
тически вполне обратимой, по крайней мере, поскольку речь идет
о химическом строении хлорофилла. Восстановление окисленного хло-
рофилла может идти либо непосредственно за счет обратной реакции
(23.15), либо (если радикалы НО2 частично израсходованы путем
дисмутации или побочных реакций) за счет взаимодействия с раство-
Флуоресценция пигментов in vitro
191
рителем. В последнем случае конечным результатом будет сенсиби-
лизированное самоокисление растворителя S:
СЫ*4-О2 —> оСЫ4-НО21
oChl + S —> oS—|— Chi,
но2 —>^н2о+|о2,
(23.16а)
(23.166)
(23.16в)
s+|°2 —>°s+|h2°.
(23.16)
Заменив растворитель окисляемым субстратом, например бензидином
или иодистым калием, получаем механизм сенсибилизированного хло-
рофиллом самоокисления этих субстратов. Этот механизм уже обсу-
ждался в т. I [гл. XVIII, уравнение (18.33), и гл. XIX, фиг. 78];
там в качестве предварительного этапа добавлялась таутомеризация.
В т. I [гл. XVIII, уравнение (18.41)] обсуждалось и другое возмож-
ное объяснение сенсибилизированного самоокисления, которое допу-
скает первичную реакцию между возбужденной молекулой хлорофилла
и окисляющим субстратом, а не кислородом. Во всех тех случаях,
где действует подобный механизм, окисляющий субстрат должен
тушить флуоресценцию хлорофилла более эффективно, чем кислород.
Франк и Леви [23] измерили тушение флуоресценции хлорофилла
бензидином и иодистым калием. Полученные ими кривые тушения не
приведены, и поэтому нельзя рассчитать концентрацию половинного
тушения. Однако авторы утверждают, что в тех условиях, в которых
Ноак ставил свои опыты по самоокислению сенсибилизированного
хлорофиллом бензидина (см. т. I, стр. 535), тушение бензидином
должно быть во много раз более эффективным, чем тушение кисло-
родом. Если это так, то механизм этой реакции должен отличаться
от механизма сенсибилизированного хлорофиллом самоокисления суб-
стратов, подобных аллилтиомочевине (см. ниже).
Ливингстон и его сотрудники [80, 86] впервые провели система-
тическое исследование изменений интенсивности флуоресценции хло-
рофилла, вызываемых малыми примесями. Они исследовали разные
органические вещества, некоторые соли и газы.
Поскольку флуоресценция остается единственным измеряемым свой-
ством, все наблюдаемые изменения могут описываться как тушение
(если флуоресценция становится слабее) или как стимуляция (если
флуоресценция усиливается, как это и происходит при добавлении
следов спирта или амина к раствору хлорофилла в сухом углеводо-
роде или при добавлении иода к спиртовому раствору хлорофилла Ь).
Однако лучше ограничить применение терминов «тушение» или
«стимуляция» теми случаями, когда примеси не оказывают воздействия
на строение или состояние молекул, находящихся в темноте, и воз-
действуют только на молекулы, которые были возбуждены при погло-
щении света. Мы можем рассматривать эти явления как «истинное
192
Глава XXIll
тушение» или «истинную стимуляцию», если последняя существует
вообще, что .сомнительно. Истинное тушение может быть связано
с физическими или химическими процессами. В первом случае {физи-
ческое тушение) кинетические встречи возбужденных флуоресци-
рующих молекул с молекулами тушителя или взаимное сближение
этих молекул приводят к ускоренной конверсии энергии электронного
возбуждения в колебательную энергию и в конце концов — в тепло.
Ускоренная диссипация может иметь место и в самой возбужденной
молекуле (вследствие изменений в ее конфигурации или в распреде-
лении заряда под влиянием тушителя) и в комплексе, образованном
возбужденной молекулой и тушителем, и даже внутри самой моле-
кулы тушителя, которая в этом случае должна прежде получить всю
энергию электронного возбуждения «целиком» и затем рассеять ее
путем внутренней конверсии в колебательную энергию; эта энергия
также может вновь испускаться тушителем в виде сенсибилизирован-
ной флуоресценции. Во втором случае {химическое тушение) возбу-
жденная молекула или молекула тушителя (или та и другая вместе)
в процессе тушения изменяются химически. В этом случае необходима
кинетическая встреча двух молекул. Если фотохимическая реакция,
обусловливающая тушение, вполне обратима (путем темновой реакции),
то конечный результат будет тот же, что и в случае физиче-
ского тушения, — превращение световой энергии в тепло; в про-
тивном случае фотохимические изменения сохраняются. При этом
постоянство выхода флуоресценции в присутствии тушителя может
сохраниться только при одном условии: если эти фотохимические
изменения не затрагивают молекул флуоресцирующих типов.
По контрасту с истинным тушением могут наблюдаться изменения
в величине выхода флуоресценции, которые вызываются изменениями
в строении или структуре поглощающих свет молекул под влиянием
добавления примеси; все случаи стимуляции, возможно, относятся
к этому виду. Эти процессы можно отличить от истинного тушения
благодаря тому, что спектр поглощения в растворе также изменяется
в присутствии тушителя или стимулирующего вещества. Изменения
поглощения могут быть большими или меньшими, в зависимости от
характера взаимодействия (образование комплексов, таутомеризация,
диссоциация, окисление, восстановление и т. д.); однако в той или
иной мере они всегда имеют место. Кроме того, химические измене-
ния в темноте часто (хотя и не всегда) протекают с измеримой ско-
ростью, обусловливая тем самым зависимость выхода флуоресценции
от времени, протекшего с момента приготовления смеси до начала
освещения. Наконец, зависимость тушения от “концентрации тушителя
неодинакова в тех случаях, когда поглощающая молекула и туши-
тель соединяются (или реагируют) в темноте, и в тех случаях, когда
они взаимодействуют только после поглощения света.
Эти общие соображения должны быть приняты во внимание при
оценке результатов опытов по тушению. Особенно важно, чтобы изме-
Флуоресценция пигментов in vitro
193
рения интенсивности флуоресценции сопровождались измерениями
спектра поглощения (а если возможно, и спектра флуоресценции)
светопоглощающего вещества.
Опыты Ливингстона и Ки [86], повидимому, в значительной мере
относятся к случаям истинного химического тушения, т. е. к изме-
нениям, связанным с обратимыми реакциями между молекулами воз-
бужденного хлорофилла и молекулами некоторых органических и
немногих неорганических соединений. По крайней мере, в некоторых
случаях это объяснение было подтверждено постоянством спектра
поглощения и мгновенным характером изменений.
Ливингстон и Ки [86] работали с растворами 1,2 • 10~б М хлоро-
филла а в метаноле, этаноле, эфире или ацетоне, флуоресценцию
которых они возбуждали линией ртути 435,8 мр или красной полосой
с центром у 645 мр. Табл. 30 и 31 показывают, что тушение
имело один и тот же характер в обоих случаях. Тушители, пере-
численные в первой таблице, расположены в порядке убывания
эффективности; очевидно, что окислители (хиноны, диазокрасители,
нитро-и нитрозосоединения и кислород) являются сильными тушите-
лями, тогда как восстановители (например, амины) обладают, в лучшем
случае, лишь слабой способностью к тушению*. Из соединений,
перечисленных в табл. 31, только фенилгидроксиламин дает
измеримое тушение при концентрациях до 0,1 моль/л (см. также
сноску 2 к табл. 31).
Как показано на фиг. 115, где нанесены значения Fo/F как
функция [Q] для большого числа истинных тушителей, тушение
следует приблизительно формуле Штерна — Фольмера (23.175), которой
мы неоднократно пользовались и ранее. Она приложима ко всем
случаям конкуренции между мономолекулярным процессом, таким как
флуоресценция, и бимолекулярным, таким как тушение при кинети-
ческих соударениях.
5 = FO/(1+&[Q])	(23.174)
или
FgIP= 1+£[<?].	(23.175)
Однако наблюдаются отклонения от линейной зависимости, требуе-
мой уравнением (23.175), особенно при более высоких значениях [Q)
(см. фиг. 115). Ливингстон и Ки получили лучшее приближение при
использовании эмпирического обобщенного уравнения
50
F 1 + [Q] 4-[QJ2 ’
(23.175)
Пунктирные линии на фиг. 115 показывают, как при помощи этого
уравнения можно представить экспериментальные данные. Значения
* Впервые указания на то, что окислители сильно тушат флуорес-
ценцию растворов хлорофилла, были сделаны В. Б. Евстигнеевым и А. А. Крас-
новским (ДАН СССР, 60, 623, 1948). — Прим. ред.
13 Зак. 4040. Е. Рабинович
194
/"л «ел Xxltl
даны в табл. 30. Ливингстон сравнил эмпирическое уравнение (23.17В),
включающее две постоянные, с теоретическим уравнением Вавилова
и Франка:
р--------------------------------,
(23.17Г)
Концентрация, моль/л
Фиг. 115. Тушение флуоресценции хлорофилла а в метаноле различными
тушителями [86].
7—хлоранил; 77—метил красный; III—хинон; IV—тринитротолуол; V—дурохинон; VI—динит-
робензол; VII — 3-нитрозо-а-нафтол; VIII—3-нитростирол; IX и X—окись азота; XI—кислород»
Кружочки—эмпирические данные; пунктир—теоретические кривые по уравнению (23.16). Для
удобства каждой кривой соответствует своя нулевая точка на оси ординат. Все кривые начи-
наются от Ty/T^l.
Здесь первый экспоненциальный член в знаменателе представляет
статическое тушение, т. е. тушение, определяемое средним расстоя-
нием между тушителем и флуоресцирующей молекулой (р — эффек-
тивный радиус обмена энергии). Второй член означает кинетическое
Флуоресценция пигментов in vitro
195
Таблица 30
ВЕЩЕСТВА, ТУШАЩИЕ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЮ ХЛОРОФИЛЛА а В МЕТАНОЛЕ. ЭТАНОЛЕ
И АЦЕТОНЕ
(по Ливингстону и Ки [86])
Тушитель	Растворитель	^возб’	[<?1W моль!Л	*2)
Хлоранил 		Ацетон	645	0,0050	175
Хинон 		9	645	0,0081	143
V				Метанол	645	0,0096	120
Метиловый красный . . .	9	645	(0,0088)	101
Тринитротолуол 		V	645	0,0100	90
9			9	435,8	0,0098	113
лс-Динитробензол .....	9	645	0,0122	68
_ .....	м	435,8	0,0110	77
Дурохинон 		9	645	0,0116	81
р-Нитрозо-а-нафтол ....		645	0,0140	62
р-Нитростирол		»	435,8	0,0170	59
Окись азота		Этанол	435,8	(0,0178)	43
p-Нитро-р-метилстирол . .	Метанол	435,8	0,022	41
Кислород		Этанол	435,8	(0,023)	35
Нитробензол		Метанол	435,8	0,034	36
р-Нитро-р, у-гексан ....	»	435,8	0,064	12
о-Аминофенол			435,8	0,138	7,2
Фенилгидразин		Этанол	435,8	0,151	8,4
	Метанол	435,8	0,31	3,7
Диметиланилин 		0	435,8	(0,42)	2,4
2-фенил-З-нитробицикло- -[1,2,2]-гептен-5 . . . .	9	435,8	(0,61)	1,6
2,6-Диамииопиридин . . .	9	435,8	(0,62)	1,4
Концентрации половинного тушения.
а) См. уравнение (23.17 В).
тушение (Л = const, т; — вязкость среды). Возможным механизмом
статического тушения является тушение путем резонансного обмена
энергии. В качестве механизма кинетического тушения можно пред-
ставить химическую реакцию, наступающую при первой или при
одной из первых кинетических встреч, частота которых определяется
скоростью диффузии и тем самым косвенно — вязкостью.
Разлагая экспоненциальный член уравнения (23.17Г) в ряд и оставляя
только первый член, можно получить уравнение типа (23.17В).
Ливингстон и Ки вычислили из своих эмпирических постоянных fcj
и «радиусы действия», р, для различных тушителей и получили
13*
Таблица 31
ВЕЩЕСТВА, НЕ ТУШАЩИЕ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЮ ХЛОРОФИЛЛА В МЕТАНОЛЕ,
ЭТАНОЛЕ ИЛИ АЦЕТОНЕ ‘)
(по Ливингстону и Ки [86])
Вещество	Растворитель	[Q], молъ/л	F<JF
Нитропропан		Метанол	0,09	1,00
» •••••••	V	0,2	1,02
Бутилнитрат 			0,9	1,02
	Ацетон	0,138	1,01
Фенилгидроксиламин . . .	Метанол	0,021	1,02
М	•	•	•		0,07	1,05
Анилин		Бутанол	0,16	1,02
Гидразин 		Ацетон	1,05	1,0
Уретаи		V	0,07	1,0
Тиомочевина 			0,02	1,0
2-Аминопиридин		Метанол	0,08	1,00
Фенилмочевина			• 0,05	1,01
Мочевина		»	0,19	1,00
Гуанидин карбонат ....	В	Насыщенный	1,0
		раствор	
Фенол .... •			0,09	1,0
Гидрохинон2)		Ацетон	0,03	1,0
Фенолфталеин		Метанол	0,04	1,0
Диметилглирксим			0,07	1,0
трет-Гексилмеркаптан . .	•	0,11	1,00
Бензальдегид 			0,38	1,0
Бензойная кислота ....	Ацетон	0,08	1,0
Камфора 		Метанол	0,15	1,0
Борная кислота			Насыщенный	1,00
		раствор	
Метилат натрия		»	0,05	1,0
Цианид натрия		0	0,15	1,01
Окись натрия		в	0,11	1,0
Закись азота 		Этанол	(605 мм)	1.0
Углекислота			(576 мм)	1,0
Окись углерода		Метанол	(640 мм)	1,00
Тиоцианат калия 			0,05	1,02
• • 		Ацетон	0,004	0,92
О Другие нетушители: аскорбиновая кислота; иодид щелочного металла (Евстигнеев и Крас-
новский 181]); аллилтиомочевина (см. стр. 200).
’) Измерения Евстигнеева и Красновского [81] говорят о том, что гидрохинон прн значи-
тельно более высоких концентрациях обладает некоторым тушащим действием, ио действует
ои слабее, чем 2,6-диаминопиридин, являющийся наиболее слабым тушителем среди перечислен-
ных в табл. 30.
Флуоресценция пигментов In vitro
197
значения между 23 и 7 А; они считают, что эти значения правдо-
подобны, принимая во внимание вычисления Фёрстера, касающиеся
радиуса действия для обмена энергии. Однако вычисления Фёрстера
относятся к резонансному обмену между двумя молекулами, прини-
мающими участие в обмене энергии, тогда как молекулы веществ,
упомянутых в табл. 30, не имеют полос поглощения, которые могли
бы резонировать с красной полосой флуоресценции хлорофилла.
Поэтому обмен энергии возбуждения на расстояниях свыше диаметра
молекулярных соударений представляется мало вероятным, если не
прибегать к теоретически допустимой, но экспериментально все еще
не подтвержденной гипотезе.
Резонанс между двумя отдельными «запрещенными» и поэтому
спектроскопически неизвестными переходами в возбужденной молекуле
и в молекуле тушителя, которые становятся «разрешенными» при их
соединении, предполагался Роллефсоном; полный спин системы может
сохраняться, если одна из молекул переходит из триплетного в син-
гулетное состояние, в то время как другая одновременно испытывает
обратное изменение.
Проверка уравнения (23.17Г) сравнением эффективности тушения
в различных растворителях не дала удовлетворительных результатов.
Например, значения klt полученные для нитрофенола и хлорофилла а,
в ряде спиртов (от метанола к октанолу) не обнаружили обратной
пропорциональности вязкости растворителей. Это может означать, что
хотя является мерой вероятности тушения посредством кинетических
встреч, но частота последних не является простой функцией вязкости,
как это предполагалось при выводе уравнения (23.17Г).
Ливингстон и Ки нашли, что спектр поглощения хлорофилла а
не изменяется заметным образом в присутствии даже больших коли-
честв наиболее сильных тушителей, перечисленных в табл. 30 (на-
пример 0,3 моль л C6H6NO2). Это указывает, что в данном случае
тушение не связано с предварительной темновой химической реакцией,
например с образованием комплекса между хлорофиллом а и туши-
телем.
Значительное влияние на спектр поглощения хлорофилла Ъ срав-
нительно слабого тушителя, фенилгидразина, было отмечено выше
(см. гл. XXI); у хлорофилла а подобного эффекта не наблюда-
лось.
Обратимость тушения может быть убедительно проверена только
для газообразного тушителя —кислорода, так как его легко удалить.
В связи с этим надо напомнить, что интенсивность флуоресценции
алломеризоваиного хлорофилла а в метаноле составляет только половину
интенсивности флуоресценции исходного раствора, другими словами —
медленное необратимое изменение накладывается на обратимое тушение
кислородом. Опыты с разбавлением при действии слабого органи-
ческого тушителя, фенилгидразина, говорят о том, что тушение и
в этом случае имеет, вероятно, обратимый характер.
198
Глава ХХШ
Франк и Ливингстон [56] обсуждали возможное существование
остаточной флуоресценции, которая не должна была бы далее ослаб-
ляться тушителями. Такая «нетушащаяся» флуоресценция может ожи-
даться в тех случаях, когда электронно возбужденная молекула требует
определенного времени для достижения конфигурации, подходящей для
химического тушения; доля полной флуоресценции, излучаемой за время
между возбуждением и достижением такой конфигурации, и будет
соответствовать «петушащейся» флуоресценции. В системе (хлоро-
филл а в СН3ОН -|~ нитробензол) слабая флуоресценция имеется даже
в 4М растворе тушителя; однако она слишком слаба (F = 0,003 Fo)
для того, чтобы рассматривать ее как прямое подтверждение этого
предположения.
Какова бы ни была интерпретация квадратичного члена в знамена-
теле уравнения (23.175), высокие значения линейного члена, найденные
для окисляющих молекул, и низкие — для восстанавливающих (включая
субстраты, самоокисление которых сенсибилизируется хлорофиллом,
например аллилтиомочевину), несомненно, знаменательны. Ливингстон
и Ки обращают внимание на полную аналогию списка сильных туши-
телей в табл. 30 со списком веществ, известных как ингибиторы
некоторых процессов полимеризации. Однако вместо того чтобы
пытаться установить причинную связь между двумя этими эффектами,
следует, быть может, рассматривать и тот, и другой как следствие
одних и тех же окислительных свойств тушителей или ингибиторов.
Тушение флуоресценции хлорофилла посредством кинетических
встреч с окислителями с большой вероятностью можно объяснить
окислением (обратимым) возбужденной молекулы хлорофилла туши-
телем, повидимому путем той же реакции, которая имеет место в слу-
чае обратимого выцветания хлорофилла на свету (см. т. I, стр. 490,
и гл. XXXV). Таким образом, опыты с тушением подтверждают не-
однократно упоминавшуюся нами способность хлорофилла выступать
в роли фотохимического восстановителя (в гл. XXXV будут представ-
лены доказательства того, что он может также действовать и как
фотохимический окислитель).
Некоторые эффекты, описанные Ливингстоном [80], явно относятся
к другому типу, который можно назвать псевдотушением. Здесь
изменения флуоресценции связаны с химическими реакциями между
невозбужденными молекулами хлорофилла и молекулами тушителя (или
стимулирующего вещества). Наиболее поразительные результаты были
получены с иодом. Если прибавить следы иода к раствору хлоро-
филла, флуоресценция начинает постепенно меняться; для достижения
определенного устойчивого состояния требуются минуты или даже часы.
Это говорит о медленном химическом превращении хлорофилла в ве-
щество, отличающееся от него по своей способности к флуоресценции.
Вероятно, эта реакция является необратимым окислением; может быть,
ей предшествует промежуточное образование комплекса. Как уже
указывалось в гл. XXI, в результате образуется вещество, подобное
Флуоресценция пигментов in vitro
199
(или идентичное) алломеризованному хлорофиллу, который получается
при медленном окислении спиртовых растворов хлорофилла на воздухе.
Согласно Фишеру- (см. т. I, стр. 463), это вещество представляет
собой хлорофилл, окисленный у углеродного атома в положении 10.
Подобно алломеризации на воздухе, реакция с иодом и такая же реак-
ция с бромом происходит только в спиртовых растворах (в метаноле
или этаноле) и не идет в эфире или четыреххлористом углероде.
У хлорофилла а интенсивность флуоресценции конечного продукта
составляет около 55°/0 интенсивности неалломеризованного продукта;
у хлорофилла b конечный продукт флуоресцирует вдвое сильнее, чем
исходное вещество.
Добавление четыреххлористого углерода к метанолу удлиняет время,
нужное для полной алломеризации иодом, от 5 мин. для хлорофилла а
в чистом метаноле до 1 часа в смеси метанола и четыреххлористого
углерода (1:1).
Флуоресценция раствора хлорофилла b в метаноле после прибавле-
ния иода сначала спадает; затем (приблизительно через 30 мин.) она
начинает опять возрастать и после 10—15 час. достигает постоянного
уровня, вдвое превышающего начальный. При действии брома на рас-
твор хлорофилла b флуоресценция уже через 1 мин. спадает до мини-
мума, а постоянный уровень устанавливается затем в течение 1 часа.
Начальное уменьшение флуоресценции можно считать признаком образо-
вания комплекса, а последующее возрастание — указанием на превра-
щение хлорофилла в алломеризованную форму.
Большие количества иода и особенно брома тушат флуоресценцию
хлорофилла более или менее полно, вызывая глубокие химические
изменения в молекуле хлорофилла.
Эффекты, аналогичные тем, которые мы наблюдаем под влиянием
следов иода или брома, можно получить также при добавлении малых
количеств солей, например LaCl3 или СеС13, в присутствии воздуха.
Эти соли, вероятно, катализируют алломеризацию хлорофилла возду-
хом с соответствующими изменениями в флуоресценции (уменьшение
для хлорофилла а и увеличение для хлорофилла Ь), причем каталити-
ческие реакции происходят также лишь в спиртовых растворах. В эфир-
ном растворе под действием LaCl3 хлорофилл а превращается в желтое
соединение и флуоресценция скоро исчезает совсем.
Евстигнеев и Красновский [81] и Евстигнеев, Гаврилова и Краснов-
ский [89] исследовали тушение флуоресценции хлорофилла некоторыми
веществами (см. сноску к табл. 31), особенно кислородом. Их предвари-
тельные, наиболее интересные результаты уже упоминались в гл. XXI.
Названные авторы нашли, что действие кислорода сильно зависит от
растворителя. В полярных растворителях — пиридине, этаноле, этил-
ацетате, ацетоне (а также в техническом бензоле) — влияние кислорода
проявлялось так, как описывалось.выше, — в умеренном тушении флуо-
ресценции. В неполярных растворителях — гептане, толуоле, четырех-
хлористом углероде — был найден, напротив, существенно отличный
200
Глава XXIII
эффект: флуоресценция [хлорофилла а или (а -ф- ^)1 ПРИ удалении
кислорода (воздух откачивался при помощи масляного насоса) умень-
шалась почти в 2 раза, а после введения воздуха возрастала почти
до начального уровня (в этих опытах бензол вел себя как полярный
растворитель, но это, вероятно, следует объяснить загрязнениями).
Повторная откачка и впуск воздуха давали постепенно ослабевающий
эффект, что можно отнести за счет наложения необратимого окисления
(алломеризации) на обратимое соединение хлорофилла с кислородом.
Позднее те же авторы [90] нашли, что активирующее влияние, которое
они приписывали кислороду, в действительности следует приписать
водяным парам, содержащимся в добавляемом воздухе. Введение воз-
духа не вызывает активации флуоресценции во влажном растворителе.
Как было указано на стр. 181, Ливингстон отнес активацию за счет
кето-энольного превращения циклопентанонового кольца, усиленного
образованием водородных связей, тогда как Евстигнеев и его сотруд-
ники полагали, что молекулы полярного растворителя могут иметь
сродство к атому магния, который в молекуле хлорофилла имеет два
свободных места координации; насыщение этих валентностей должно
было укреплять молекулу и уменьшать внутреннее рассеяние энергии.
Это представление подтверждалось тем, что у феофитина и фтало-
цианина активация не обнаруживалась (см. стр. 182). Кё [55] пред-
положил, что химическое тушение флуоресценции хлорофилла анти-
оксидантами, присутствующими в маслах и жирах, можно использовать
для определения степени их прогорклости. Однако Френч и Лундберг [68]
не обнаружили такого тушения хлопковым маслом.
Каутский, Гирш и Флеш [27] нашли и Франк и Ливингстон [56]
подтвердили, что некоторые вещества, фотоокисление которых сенси-
билизируется хлорофиллом, например изоамиламин и аллилтиомочевина,
не вызывают никакого ослабления флуоресценции хлорофилла. По
сообщению Каутского, растворы хлорофилла в ацетоне, насыщенном
изоамиламином, ярко флуоресцируют; растворы хлорофилла в чистом
изоамиламине не только флуоресцируют, но также обнаруживают
красное послесвечение, длящееся до 0,01 сек. Согласно Франку и
Ливингстону, флуоресценция 10-5 М раствора хлорофилла в ацетоне,
насыщенном воздухом и содержащем 0,5 моль/л аллилтиомочевины,
только на 15—20% слабее, чем флуоресценция такого же раствора,
не содержащего кислорода и аллилтиомочевины (несмотря на то, что
квантовый выход сенсибилизированного фотоокисления при этих усло-
виях достигает почти единицы). Это говорит о том, что сенсибилизация
реакции между аллилтиомочевиной (или другими подобными ей окис-
ляющимися субстратами) и кислородом не может быть приписана
взаимодействию возбужденной молекулы хлорофилла во флуоресцирую-
щем состоянии с кислородом или субстратом окисления. Другими
словами, сенсибилизация осуществляется — в этом особом случае —
преимущественно или исключительно молекулами, энергия которых
должна была бы иначе рассеяться без испускания флуоресценции
Флуоресценция пигментов in vitro
201
(аналогичные наблюдения с другими сенсибилизаторами см. Шпольский
и Шереметьев [39]).
Для объяснения этого явления нужно предположить, что большая
часть возбужденных молекул хлорофилла не флуоресцирует потому,
что они испытывают превращение в сравнительно долго живущую
форму, обладающую еще достаточным запасом энергии. В этом состоя-
нии они сохраняют часть начальной энергии возбуждения в виде эле-
ктронной или химической энергии. Ввиду большой продолжительности
их времени жизни эти активированные молекулы имеют большую
вероятность встретиться с молекулами кислорода или с молекулами
субстрата А, даже если концентрация последних очень мала. Этим
объясняется, почему высокий выход сенсибилизированного самоокисле-
ния иногда наблюдается даже при очень малых концентрациях [О2]
и [А].
Таким образом, опыты с тушением флуоресценции хлорофилла
кислородом и самоокисляющимися веществами снова приводят нас
к проблеме длительного активированного состояния (или состояний)
хлорофилла, о котором мы уже упоминали в связи с рассмотрением
механизма фотохимической сенсибилизации хлорофиллом in vitro и
in vivo (см. т. I, гл. XVIII, стр. 487, и гл. XIX, стр. 551).
Вейль-Мальерб и Вейсс [69] предположили, что отсутствие туша-
щего действия у изоамиламина можно объяснить самотушением, без
допущения длительных активных состояний. Выше мы отмечали, что
большая эффективность самотушения, найденная этими исследовате-
лями, оказалась ошибочной и была обусловлена реабсорбцией. Однако
если бы она даже и была так высока, как они предполагали, то это
не должно было бы мешать сенсибилизации конкурировать с флуо-
ресценцией. Если в отсутствие субстрата сенсибилизации 9О°/о воз-
бужденных молекул хлорофилла испытывают самотушение при встречах
с невозбужденными молекулами хлорофилла (Chl*-|-Chl) и Ю°/о испу-
скают флуоресценцию, то добавление субстрата, который окисляется
с квантовым выходом в 50%, должно понизить и самотушение и
флуоресценцию в одной и той же пропорции, т. е. до 45 и 5% соот-
ветственно.
Вопреки утверждению Вейль-Мальерба и Вейсса, самотушением
нельзя также объяснить зависимость выхода сенсибилизированного само-
окисления от концентрации хлорофилла (см. т. I, уравнение (18. 32)).
Утверждение, что стимуляция флуоресценции говорит о химическом
изменении (см. стр. 192), не приложимо к сенсибилизации. Для флуо-
ресценции хлорофилла может быть использована энергия, поглощаемая
другими пигментами. Это явление было впервые обнаружено in vivo
(см. гл. XXIV). Согласно Дейзенсу [92], в 10~3 М растворе хлоро-
филлов (а -ф- Ь) в ацетоне половина квантов, поглощенных компонен-
том Ь, используется для флуоресценции хлорофилла а, и это является
лишним доказательством того, что хлорофилл а должен тушить флуо-
ресценцию хлорофилла Ь.
202
Глава ХХШ
Долго живущие активные состояния
и послесвечение хлорофилла *
Как было установлено в гл. XVIII, долго живущее состояние акти-
вации может иногда обусловливаться химическими изменениями, так же
как и образованием метастабильных электронных состояний (это послед-
нее объяснение отстаивал Каутский и позднее Дж. Льюис). Некоторые
процессы тушения, о которых мы уже говорили в этой главе, могут
вести к образованию промежуточных нестабильных продуктов. В про-
цессе рассеяния физической энергии так же, как и при химическом
тушении, могут получаться метастабильные активные продукты. В пер-
вом случае сильные колебания, возбуждаемые при внутренней конверсии,
могут вызвать внутренние химические изменения, например один или два
атома водорода могут переместиться в другое положение в молекуле,
образуя тем самым метастабильную таутомерную форму. Во втором
случае (химическое тушение) метастабильные состояния будут обусло-
вливаться обратимой фотохимической реакцией с растворителем, напри-
мер обменом электронов или атомов водорода. При этом долго живущее
метастабильное состояние пигмента является не таутомерным, а окис-
ленным или восстановленным состоянием. Активный, окисленный
или восстановленный продукт может быть вновь превращен в исходный
пигмент либо путем реакции, обратной по отношению к реакции его
образования, т. е. без каких-либо фотохимических изменений вообще,
либо путем других реакций, в результате которых остаются сенси-
билизированные фотохимические изменения (например, путем реакций
с растворителем или с растворенным кислородом). Все эти возмож-
ности подробно обсуждались в т. I (гл. XVIII).
Каутский и Льюис высказали предположение о том, что долго
живущие активные молекулы являются молекулами, находящимися
в метастабильных электронных состояниях. Последующее развитие
этой концепции, подтвержденное обширными исследованиями Каша и
других сотрудников Льюиса, заставляет нас вернуться к этому пред-
мету еще раз.
Как основное состояние валентно насыщенной молекулы, так и
возбужденные состояния, соответствующие интенсивным полосам погло-
щения, обычно являются сингулетными состояниями, т. е. состояниями
с полным электронным спином, равным нулю. Триплетные состояния,
с полным электронным спином, равным единице, могут получаться при
обращении спина одного электрона; однако чтобы это произошло
в замкнутом электронном слое, необходимо изменить также орбиталь-
ную собственную функцию этого электрона, превратив его тем самым
* Представления о фотохимической активности триплетного (бирадикаль-
ного) состояния органических соединений были впервые развиты в рабо-
тах А. Н. Теренина (Acta Physicochim. URSS, 18, 210, 1943; Жури. физ.
хим., 18, 1, 1944; Фотохимия красителей, изд. АН СССР, 1947). — Прим, ред
Флуоресценция пигментов in vitro
203
из связывающего в расслабляющий электрон, другими словами, необ-
ходимо разорвать или ослабить химическую связь (например, разорвать
вторую связь в двойных связях С=С, С=О или C=N). Молекула в три-
плетном состоянии приобретает таким образом характер бирадикала *.
Излучательный переход такой молекулы в основное состояние с испуска-
нием флуоресценции «запрещен» вследствие требования сохранения спи-
на; квант света не может осуществить механизм, при котором спин будет
изменяться. Это приводит к тому, что «активированные» молекулы,
находящиеся в триплетном бирадикальном состоянии, становятся мета-
стабильными, поскольку речь идет об активации посредством флуо-
ресценции. Сингулет-триплетный запрет строго выполняется только
в тех случаях, когда спин
электрона не взаимодействует
с другими типами движения
электронов системы, так как
такие взаимодействия приво-
дят к возможности изменения
момента спина путем превра-
щения его в другие враща-
тельные моменты. Один тип
взаимодействия, который
(d) Эмис-
сия
(а) Возбуждение
+пкТ
(с) Термическое
возбуждение
А
(Ь) Таутомери-
зация
Т
всегда имеет место, это фиг. 116. Схема превращения энергии,
связь момента спина с враща-
тельным моментом электронного движения вокруг ядра (орбитальный мо-
мент). Это взаимодействие слабо в легких элементах и возрастает с уве-
личением атомного номера. Другие взаимодействия обусловлены влиянием
на триплетную молекулу внешних полей или сил (электрических или
магнитных), например в конденсированных фазах, где каждая молекула
находится в поле сил соседних молекул. Таким образом, теоретическое
время жизни метастабильных триплетных молекул, вычисленное для
изолированной молекулы при учете только связи с орбитальным момен-
том, должно быть значительно уменьшено в конденсированных системах
вследствие влияния среды. Кроме того, помимо радиационного пере-
хода в основное состояние (флуоресценция) метастабильные молекулы
могут рассеивать свою энергию путем внутренней конверсии в колеба-
тельную энергию, причем энергия необратимо теряется в конденсиро-
ванной фазе вследствие отдачи колебательных квантов окружающим
молекулам. Это — процесс того же типа, что и процесс, путем ко-
торого метастабильные молекулы возникают из возбужденных молекул
во флуоресцентном сингулетном состоянии (переход А —» Т на схемах
фиг. 110 и 116). Такой переход осуществляется в течение < 10~8 сек.,
так как он успешно конкурирует с флуоресценцией; может ли быть,
чтобы подобный ему переход Т X происходил в течение секунды
* Мы понимаем под этим термином радикал с двумя свободными валент-
ностями, а не комбинацию двух радикалов.
204
Глава ХХШ
или даже минуты? (именно таким является время жизни долго живу-
щего состояния активации у некоторых красителей, найденное на
кривых спадания фосфоресценции).
Изложенные выше соображения заставили нас считать гипотезу о
метастабильных таутомерных состояниях более пригодной для объяс-
нения долго живущих состояний активации, чем гипотеза метаста-
бильных электронных состояний (см. т. I). Различие между этими
двумя гипотезами состоит в том, что во втором случае положение
атомных ядер в метастабильном состоянии предполагается тем же
самым, как и в нормальном состоянии, или, по крайней мере, таким,
которое не отделено от нормального потенциальным барьером. В тау-
томерном состоянии атомные ядра, напротив, перераспределяются так,
что возврат в основное состояние защищен потенциальным барьером
и в силу этого требует определенной энергии активации. В остальном
таутомерное состояние также может иметь бирадикальный характер
с двумя свободными валентностями и спектроскопическую природу
триплетного состояния с соответствующим парамагнитным моментом.
Две следующие простые схемы иллюстрируют различие между
чисто электронным возбуждением в триплетное состояние и элект-
ронным возбуждением, связанным с таутомерным перераспределением:
НН	НН
Rj—С=С—R2	Rj—С—С—R2
Электронная таутомеризация
НН	н |
Rj—с=с—r2 — R — с—с—r2
Н |
Атомная таутомеризация
(23.17Д)
(23.17Д)
Возвращение в нормальное состояние требует во втором случае,
чтобы водородный атом перескочил через соседний атом углерода,
переместившись из одного потенциального минимума в другой,
преодолев какой-то барьер. Этот тип метастабильности может поэтому
обладать большим временем жизни, чем первый, в котором возвраще-
ние в основное состояние достигается при одной только электронной
перестройке.
Представление о метастабильных триплетных состояниях как
о причине длительной флуоресценции (фосфоресценции) растворов
красителей было развито в нескольких работах из лаборатории уни-
верситета в Беркли Льюисом, Каша, Мак-Клюром и Кальвином [70,
72, 74, 77, 79]. Интересным результатом является обнаруженный ими
парамагнетизм фосфоресцентного состояния. Наблюденный парамаг-
нитный момент соответствовал моменту спина двух неспаренных
электронов, как это можно было ожидать из представления о триплетном
спектроскопическом состоянии, на что и ссылались как на оконча-
тельное подтверждение теории Льюиса — Каша. Однако, как уже
Флуоресценция пигментов in vitro
205
отмечалось выше, наличие парамагнетизма не доказывает, что бира-
дикал имеет чисто электронную природу, а не является таутомером
нормальной молекулы. Может быть, следовало бы называть метаста-
бильные молекулы Льюиса и Каша «электронными таутомерами»
и противопоставлять их «атомным таутомерам»; термин «мезомеры»
обычно применяется только в отношении электронных структур
с одинаковой или почти одинаковой энергией.
Вычисления времени жизни метастабильных органических молекул
были выполнены тремя способами: теоретически, на основе одного
только спин-орбитального взаимодействия (что должно дать верхний
предел для действительного времени жизни в конденсированных
системах!), и экспериментально — либо на основании длительности
фосфоресценции, либо по интенсивности слабых полос поглощения,
которые, как это было обнаружено, соответствуют полосам фосфо-
ресценции у некоторых органических соединений. В общем, действи-
тельные времена жизни фосфоресценции оказались не меньше,
а больше (в 10, 100 и даже в 1 000 раз), чем теоретические значения,
особенно у ароматических соединений. Время жизни, полученное из
интенсивности полос поглощения, также часто оказывалось более
коротким, чем то, которое было определено при помощи фосфорес-
центного метода. Указывают ли эти результаты на то, что, по крайней
мере, в некоторых молекулах метастабильное состояние соответствует
скорее атомному, чем электронному таутомеру, — пока еще сказать
трудно. Другое возможное объяснение состоит в том, что вычисление
времени жизни на основе одного сингулет-триплетного правила
запрета дает слишком малые значения потому, что в некоторых
соединениях, особенно в ароматических системах, дело осложняется
соображениями симметрии.
В этой главе нас особенно интересует одна сторона проблемы
долго живущих активных состояний, а именно: явление послесвечения.
Полученные фотохимическим путем таутомерные продукты или мета-
стабильные триплетные молекулы могут обладать такой высокой
энергией, что при помощи флуктуаций тепловой энергии они могут
по истечении некоторого промежутка времени снова вернуться
в начальное электронно возбужденное состояние и дать испускание
задержанной, флуоресценции (называемой также послесвечением или
фосфоресценцией). Этот цикл (см. фиг. ПО и 116) дает наиболее
правдоподобное объяснение фосфоресценции растворов многих краси-
телей (эозин, эритрозин, бенгальская роза и многие другие красители
обнаруживают послесвечение, длящееся от 10-8 до 10-1 сек,).
Каутский, Гирш и Флеш [27], исследовавшие этот эффект на огромном
количестве красителей, отмечают, что послесвечение крайне чувстви-
тельно к кислороду; оно может быть подавлено кислородом при
давлении этого газа всего в несколько миллиметров. У растворов
хлорофилла в органическом растворителе те же авторы не обнаружили
послесвечения, за исключением того случая, когда в качестве
206
Глава XXHt
растворителя был взят изоамиламин. Интерпретация этого результата
неясна. Возможно, что таутомерное состояние Т встречается и у
хлорофилла так же, как и у других красителей, но относительная
вероятность прямого перехода его в основное состояние X (пунктирная
линия на фиг. 116) более высока, чем вероятность возвращения
во флуоресцентное состояние А. Поэтому интенсивность красной
фосфоресценции практически равна нулю, за исключением некоторых
случаев (как, например, раствор в изоамиламине), где по неизвестным
еще причинам относительная вероятность двух конкурирующих про-
цессов изменяется в пользу фосфоресценции.
Вряд ли можно считать простым совпадением то, что изоамил-
амин— единственный растворитель, в котором обнаружено красное
послесвечение хлорофилла, — является веществом, фотоокисление кото-
рого сенсибилизируется хлорофиллом и притом с большим квантовым
выходом. Выше указывалось, что процесс сенсибилизации не кон-
курирует с флуоресценцией, так как ни изоамиламин, ни кислород
при используемых низких концентрациях не дают заметного тушения
флуоресценции хлорофилла. Поэтому сенсибилизация должна осуще-
ствляться долго живущими активными формами хлорофилла. Если бы
эти же формы обусловливали фосфоресценцию (красную), то ясно,
что фосфоресценция и сенсибилизация должны были бы конкурировать;
между тем это явно не имеет места, так как красная фосфоресценция
обнаруживается только в той среде (изоамиламин), где наблюдается
и сенсибилизация. Это действительно парадоксальный результат!
Можно пытаться найти решение, допуская, что фосфоресценция
хлорофилла в изоамиламине представляет собой фотохемолюминес-
ценцию с образованием испускающих свет молекул пигмента в про-
цессе восстановления хлорофилла после его обратимого окисления
(или восстановления). Например, используя механизм сенсибилизации,
представленный уравнением (18.41), можно написать (Л — амин и t —
таутомер):
Chi + Av _> Chi * (—> tChl)	(23.18а)
Chi* (или tChl) + 4 —> oA-|-rChl (23.186)
rChl + i/4O2 —> Chi* ( + V2H2O)	(23.18e)
Chi* —> Chi4-Av	(23.18г)
A + O2 —> oA (+ V2 H2O)	(23.18)
Реакция (23.18e) является исключением из правила, состоящего
в том, что обратные реакции при фотохимической сенсибилизации
протекают без хемолюминесценции. В гл. XXIV мы рассмотрим
данные по хемолюминесценции, сопровождающей обратные реакции
в фотосинтезе.
Другой возможной причиной фосфоресценции (со спектром, не-
сколько отличающимся от мгновенной флуоресценции) может служить
Флуоресценция пигментов in vitro
207
прямой излучательный переход метастабильных молекул из состояния Т
в основное состояние X, сопровождающийся испусканием одного
кванта. Такой переход возможен наряду с вышеупомянутым не-
излучающим обратным переходом, происходящим путем внутренней
конверсии электронной энергии в колебательную. Предположение,
что именно этим типом фосфоресценции определяется время жизни
метастабильного состояния, лежит в основе вышеупомянутых рас-
четов Льюиса, Каша и Мак-Клюра.
Длительная люминесценция на 2 000—20 000 см~х ниже обычной
флуоресценции действительно известна для многих красителей и дру-
гих флуоресцирующих органических соединений, особенно при низких
температурах и в стеклообразных растворителях. У хлорофилла фосфо-
ресценцию этого типа нужно было бы искать в инфракрасной области.
Кальвин и Дораф [72] сообщили, что в смеси хлорофиллов а
й Ь, растворенных в «жестком растворителе» (ЭПС — смесь эфира,
пентана и спирта, затвердевающая при температуре ниже 100° без
кристаллизации), можно наблюдать послесвечение, длящееся до 0,2 сек.
после освещения. Спектроскопические наблюдения обнаружили полосу,
начинающуюся у 780—800 мр и простирающуюся в инфракрасную
область. Аналогичные данные были получены с цинковым тетрафенил-
хлорином. С медным тетрафенилхлорином указанного эффекта обна-
ружить не удалось. Кальвин объясняет это ослабляющим влиянием
парамагнитного иона Си++ на метастабильность триплетного состояния.
Однако Ливингстон [80] не обнаружил этого послесвечения в рас-
творах хлорофилла а в ЭПС (2 • 10-1 моль)л) при температурах —180
и —150°. Опыты с другими растворителями и при других темпера-
турах также дали отрицательные результаты как для хлорофилла а,
так и для смеси компонентов а и b при концентрациях от 10~2 до
5 • 10~6 моль’л в воздухе и в вакууме. Позднее в частном сооб-
щении, Кальвин и Дораф подтвердили, что обнаруженная ими люми-
несценция смеси компонентов а и b у 800 мц была, вероятно, свя-
зана с какими-нибудь загрязнениями. Тем не менее эти авторы считают,
что хлорофилл b должен иметь слабое инфракрасное послесвечение
<5 = 0,02 сек.), начинающееся около 860 ми.. Эта фосфоресценция,
если она существует, должна непосредственно конкурировать с фото-
химической сенсибилизацией хлорофиллом [78].
Схема флуоресценции и сенсибилизации
Подводя итоги этой дискуссии, мы должны вернуться к т. I (гл. XIX)
и воспроизвести в несколько расширенной форме схему, приведенную
на фиг. 78, при описании наиболее вероятного механизма флуорес-
ценции и сенсибилизированного фотоокисления в растворах хлорофилла *.
* В последней строке стр. 554 (т. I) допущен пропуск. Следует читать:
«Если же при [О2], равной 10_<—10-6 моль[л, kQ [Ог] намного меньше k
и [О2] намного больше kt...».
208
Глава XXIII
Эта схема, усложненная введением внутренней конверсии, самотуше-
ния при соударениях и химической реакции с окисляющимся субстра-
том А, например амином, но упрощенная там, где речь идет о меха-
низме сенсибилизированного фотоокисления, воспроизведена на фиг. 117.
Чтобы чрезмерно не усложнить схему, мы не ввели в нее реакций
с растворителем; о них, однако, нужно помнить, так как псевдомо-
номолекулярные реакции с растворителем могут почти всегда служить
альтернативой для обычных мономолекулярных таутомеризаций (на что
неоднократно указывалось в гл. XV11I). Значение стрелок на схеме
(слева — направо): 1) внутренняя конверсия, 2) таутомеризация, за
которой следует сенсибилизированное самоокисление субстрата А или
рассеяние энергии и возвращение в нормальное состояние Chi,
3) самотушение, 4) флуоресценция, 5) сенсибилизированное самооки-
сление А путем первичной реакции с О2, 6) сенсибилизированное
самоокисление А путем первичной реакции с А. Согласно теории
Льюиса — Каша, таутомеризация может означать скорее электронную,
чем ядерную перегруппировку и рассеяние может достигаться при
испускании фосфоресценции.
Фиг. 117. Пути превращения энергии в растворах хлоро-
филла, содержащих кислород и самоокисляемый субстрат А.
Схема показывает восемь различных способов, посредством кото-
рых после возбуждения снова может получаться нормальный хлоро-
филл, и четыре способа, посредством которых субстрат А может быть
окислен и превращен в оА (две возможные прямые реакции для СЫ* и
две — для метастабильного tChl). Резонансные эффекты здесь не учтены.
Выход флуоресценции <р, согласно схеме, представленной на фиг. 117,
равен:
+ kt) + Ас (Сhl] + Ао [Оа] +	[А]
Это уравнение заменяет уравнение (19.5) (т. I, стр. 554).
Флуоресценция пигментов in vitro
209
Некоторые из констант в уравнении (23.19) можно определить:
kf= 1,2 • 107 (величина, обратная естественному времени жизни Chi*,
вычисленному из интенсивности красной полосы поглощения;
см. стр. 40).
может быть мало по сравнению с йг; другими словами, тауто-
меризация может быть нормальным промежуточным этапом внутренней
конверсии. Это, однако, не вполне достоверно. Установлено, что
квантовый выход у^1 (см. табл. 74 и 76), когда [A]«i5-10~4,
т. е. при концентрациях, при которых Ад [А] вполне может быть
достаточно высоким, чтобы сделать малым, даже если оно не мало
по сравнению с kt.
ki-\-kt должно составлять —108, если предположить, что выход
флуоресценции равен приблизительно Ю°/о в отсутствие тушения
кислородом или молекулами А.
kc должно быть > 1012, согласно Вейссу и Вейль-Мальербу
(см. стр. 183), но более вероятно, что оно достигает значения ~ 109,
полученного Вейссом и Вейль-Мальербом для других красителей.
На фиг. 114 видно, что половинное тушение наступает при концен-
трации хлорофилла, равной 1,5 • 10~2 моль[л, и тем самым ^ = 67,
а Ас^ь;7-1О9. Однако S-образная форма кривой скорее говорит
о резонансном переносе, чем о соударениях как главном механизме
тушения.
k* равно приблизительно 5 • 109 (вычислено из концентрации
2 • 10~2моль/л, соответствующей «половинному тушению»; см. табл. 30).
йд можно было бы вычислить из кривых Франка и Леви для
тушения флуоресценции бензидином, если бы были известны единицы
концентрации. (Значения kr в табл. 30 дают скорости бимолекулярных
реакций в сек • л • моль~г, значения kck* и Ад. в уравнении (23.19)
представляют собой произведения этих констант и константы скорости
мономолекулярной дезактивации;	108 сек-1.)
Мы воздержались от попытки вывести из схемы, представленной
на фиг. 117, уравнение для квантового выхода сенсибилизированного
самоокисления [вместо уравнения (19.6)], потому что результат полу-
чается слишком сложным для сравнения с экспериментальными дан-
ными, например с эмпирическим уравнением Гаффрона (18.32) для
сенсибилизированного самоокисления аллилтиомочевины. Реакция
«самотушения» таутомера tGhl
tChl + Chi —> 2Chl	(23.20)
добавляется для объяснения уменьшения выхода фотоокисления, сен-
сибилизированного хлорофиллом, при возрастании концентрации пиг-
мента [Chi] в той области концентраций хлорофилла, где самотуше-
ние коротко живущего состояния Chi* не может быть значитель-
ным (см. табл. 76, т. I, стр. 520). Эта дезактивизация таутомерного
14 Зак. 4040. Е. Рабинович
210
Глава XXIII
хлорофилла нормальным хлорофиллом может, невидимому, происходить
путем дисмутации:
tChl+Chl —> oChl-{-rChl,	(23.21)
как, например, в уравнении (18.426) (т. I, стр. 526), и сопровождаться
обратной реакцией:
oChl—]—rChl —> 2СЫ.	(23.22)
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ КАРОТИНОИДОВ И ФИКОБИЛИНОВ IN VITRO
Флуоресценция каротиноидов
Каротиноиды обычно считаются нефлуоресцирующими. По данным
Вильштеттера и Штоля [97], это справедливо как для каротиноидов
листа, так и для каротиноидов бурых водорослей (например, для
фукоксантола). Однако Роговский [95] сообщил, что им наблюдалась
флуоресценция каротина в петролейном эфире в области около 505—
600 мр, и Дере [105] установил, что при —180° в растворе каротина
в ксилоле можно обнаружить три отдельные полосы флуоресценции.
Клейн н Линзер [100] упоминают о зеленой флуоресценции спиртовых
растворов каротина. Стрейн [104] нашел в. хроматограммах экстрактов
из листа в петролейном эфире флуоресцирующий слой, расположенный
под слоем а-каротина и состоящий из неизвестного бесцветного вещества,
вероятно углеводорода, без резких полос поглощения в видимой области
спектра или ближнем ультрафиолете. Цехмейстер и сотрудники [107]
нашли, что в огромном большинстве экстрактов из не содержащих хлоро-
филла органов различных растений присутствует флуоресцирующий бес-
цветный углеводород полиенового типа с резкими полосами поглощения
у 331, 348 и 367 мр (в петролейном эфире). Этот углеводород, на-
званный фитофлуеном (вероятно, C40Hg4), может представлять собой
исходный продукт при образовании каротинов или продукт их гидро-
генирования; в нем имеется семь двойных связей, но, по всей веро-
ятности, лишь пять из них конъюгируются.
Отсутствие флуоресценции говорит о том,- что энергия возбужде-
ния каротиноидных молекул в растворе рассеивается за время меньше
10-п сек.
Флуоресценция фикобилинов
Фикобилины обычно описываются как ярко флуоресцирующие веще-
ства. Однако вследствие отсутствия точных определений выхода флуо-
ресценции нельзя судить о том, действительно ли их флуоресценция
сильнее флуоресценции хлорофилла Или ее большая яркость обус-
ловлена тем, что полосы флуоресценции фикобилинов лежат ближе
к области наибольшей чувствительности человеческого глаза, тргда
как полосы хлорофилла расположены в крайней красной, а частью
в инфракрасной области.
Флуоресценция пигментов in vitro
211
Соединение с белками не ослабляет флуоресценции фикобилинов.
Наоборот, согласно Лембергу [99], изолированные пигменты флуорес-
цируют менее сильно, чем хромопротеиды.
Флуоресценция красных водорослей была впервые описана Сток-
сом в той же работе, где он сообщил об открытии флуоресценции
зеленых листьев (см. гл. XXIV). С тех пор флуоресценция как живых
водорослей, так и их водных экстрактов неоднократно изучалась
[93, 96, 98, 99, 101—103, 108—110].
Ван-Норман, Френч и Макдоуэлл [108] дали фотометрическую
кривую флуоресценции экстракта, полученного путем размельчения
красных водорослей Iridaea под водой с центрифугированием при
больших скоростях. Эта кривая имеет острый пик приблизительно
около 580 мр, явно соответствующий первой длинноволновой полосе
фикоэритрина у 566 Жу. (см. фиг. 118, А [ПО]).
Перегиб, заметный на длинноволновой стороне полосы, располо-
женной у 580 лф, указывает на присутствие второго максимума
около 630 мр. Вероятно, это максимум второй полосы флуоресценции
(0 -► 1) фикоэритрина, ведущей к колебательному основному состоя-
нию. Первая полоса флуоресценции фикоцианина, соответствующая
первой полосе поглощения этого хромопротеида, максимум которой
обнаруживается в том же экстракте у 615 мр, лежит у 660 мр,
согласно кривой, полученной Френчем [ПО] посредством вычитания
спектра флуоресценции фикоэритрина из спектра флуоресценции не-
обработанного водного экстракта красной водоросли (фиг. 118, Б).
Ранее Дере и Фонтэн [101] нашли, что середины полос флуоресцен-
ции двух фикобилинов в водном экстракте расположены около 578
и 648 мр. Дере и Раффи обнаружили вторую полосу фикоцианина
приблизительно у 728,5 мр.
Согласно кривым Френча, полосы флуоресценции фикобилинов
смещены к красной области (по отношению к полосам поглощения)
на 14 мр — у фикоэритрина и на 45 мр — у фикоцианина.
Арнольд и Оппенгеймер [109] разрушали сине-зеленые водоросли
Chroococcus путем продавливания их через узкое отверстие (см. гл. XXXV)
и отделяли фикобилиновый хромопротеид от хлорофиллового хромо-
протеида фракционированием на сульфате аммония. Фикобилиновая
фракция, суспендированная в воде, дала полосу флуоресценции
у 620—655 мр. Выход флуоресценции составил около 20%. У живых
клеток Chroococcus выход флуоресценции гораздо меньше (1,5%).
Он возрастает при растирании этих клеток под водой даже без от-
деления фикобилина от хлорофилла (см. гл. XXIV). Этот факт пред-
ставляет интерес в связи с тем, что сине-зеленые водоросли не содер-
жат хлоропластов и «клеточный сок», полученный при их растирании,
по своим свойствам не отличается от содержимого живых клеток
столь сильно, как продукт механического разрушения содержащих
хлоропласты зеленых клеток. Арнольд и Оппенгеймер предполагают,
что почти десятикратное увеличение квантового выхода флуоресценции
14*
212
Глава XXIH
при растирании является просто эффектом разбавления. В живых
клетках тесное соседство молекул фикобилина с одной или несколь-
кими молекулами хлорофилла приводит к высокой эффективности
Фиг. 118. Спектры флуоресценции чистого фикоэри-
трина и фикоцианина.
А. Спектр флуоресценции чистого фикоэритрина в сопоставлении со
спектром поглощения [110]: I—поглощение; II—флуоресценция. Б. Спектр
флуоресценции фикоцианина, полученный из спектра цельного водного
экстракта нз красной водоросли путем вычитания кривой флуоресценции
фикоэритрина [110]: /—водный экстракт из красной водоросли; II—фико-
цианин; III—фикоэритрин.
резонансной передачи энергии возбуждения от фикобилина к хлоро-
филлу, чем и объясняется высокий квантовый выход фотосинтеза
Флуоресценция пигментов In vitro
213
в области поглощения фикобилинов (см. гл. XXX). Это ведет к туше-
нию флуоресценции фикобилинов и к замене ее менее интенсивной сен-
сибилизированной флуоресценцией хлорофилла. Разбавление уменьшает
скорость резонансного переноса и тем самым сохраняет флуоресцен-
цию фикобилинов.
ЛИТЕРА ТУРА
Флуоресценция хлорофилла in vitro
1.	Brewster D., Trans. Roy. Soc. Edinburgh, 12, 538 (1834).
2.	Stokes G. G., Trans. Roy. Soc. London, 463 (1852).
3.	Dhere C., Compt. rend., 158, 64 (1914).
4.	Wilschke A., Z. wiss. Mikroskop., 31, 338 (1914).
5.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen uber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
6.	Stern K., Ber. deut. botan. Ges., 38, 28 (1920).
7.	Stern K., Z. Botan., 13, 193 (1921).
8.	Perrin J., 2-me congres chimie Solvay, Gauthiers-Villars, Paris, 1926, 322.
9.	Noack K„ Biochem. Z., 183, 135 (1927).
10.	Perrin J., Compt. rend. acad. sci., Paris, 184, 1097 (1927).
11.	Perrin F„ Ann. phys., 12, 169 (1929).
12.	Dhere C., Compt. rend., 192, 1496 (1930).
13.	Kautsky H., Hirsch A„ Ber. deut. chem. Ges., 64, 2677 (1931).
14.	Dhere C., Fontaine M., Ann. Inst, oceanogr., 10, 245 (1931).
15.	Kautsky H., de Bruijn H., Naturwissenschaften, 19, 1043 (1931).
16.	Perrin F., Ann. phys., 17, 283 (1932).
17.	Kautsky H., de Bruijn H„ Neuwirth R., Baumeister W., Ber. deut. chem.
Ges., 66, 1588 (1933).
18.	Knorr H. V., Albers V. M., Phys. Rev., 43, 379 (1933).
19.	Knorr H. V., Albers V. M., Phys. Rev., 46, 336 (1934).
20.	Baas-Becking L. G. M., Koning H. C„ Proc. Acad. Sc. Amsterdam, 37, 674
(1934).
21.	Albers V. M„ Knorr H. V., Phys. Rev., 46, 336 (1934).
22.	Prins J. A., Nature, 134, 457 (1934).
23.	Franck J., Levi H„ Z. physik. Chem., B27, 409 (1934).
24.	Bakker H. A., Proc. Acad. Sci. Amsterdam, 37, 688 (1934).
25.	Knorr H. V., Albers V. M., Cold Spring Harbor Symposia Quant. Biot.,
3, 98 (1935).
26.	Albers V. M., Knorr H. V., Cold Spring Harbor Symposia Quant. Biol.,
3, 87 (1935).
27.	Kautsky H., Hirsch A., Flesch W., Ber. deut. chem. Ges., 68, 152 (1935).
28.	Wakkie J. G., Proc. Acad. Sci. Amsterdam, 38, 1082 (1935).
29.	Hubert B., Rev. trav. botan. neerland, 32, 323 (1935).
30.	Stern A., Molvig H„ Z. physik. Chem., A175, 38 (1935).
31.	Dhere C., Raffy A., Bull. soc. chim. biol., 17, 1385 (1935).
32.	Weiss J., Naturwissenschaften, 23, 610 (1935).
33.	Zscheiie F. P„ Protoplasma, 22, 513 (1935).
34.	Stern A., Molvig H., Z. physik. Chem., A176, 209 (1936).
35.	Stern A., Dezelie M., там же, A176, 347 (1936).
36.	Franck J., Wood R. W„ J. Chem. Phys., 4, 551 (1936).
37.	Biermacher O., Thesis, Univ. Fribourg (Switzerland), 1936.
38.	Dhere C., Biermacher O„ Compt. rend. soc. biol., 122, 591 (1936).
39.	Шпольский Э. В., Шереметьев Г. Д., Журн. физ. хим., 8, 640 (1936).
40.	Kautsky Н., Biochem. Z., 291, 271 (1937).
41.	Vermeulen D., Wassink E. C., Reman G. H., Enzymologia, 4, 254 (1937).
42.	Dhere C., La fluorescence en biochimie, Paris, 1937.
214
Глава ХХШ
43.	Franck J., Herzfeld К. F., J. phys. Chem., 41, 97 (1937).
44.	Rabinowltch E., Trans. Faraday Soc., 33, 1225 (1937).
45.	Stoll A., Wiedemann E., Fortschr. Chem. Organ. Naturstoffe, 1, 159 (1938).
46.	Rothemund P„ J. Am. Chem. Soc., 60, 2005 (1938).
47.	Smith E. L., Science, 88, 170 (1938).
48.	Stern A., Z. physik. Chem., A182, 186 (1938).
49.	Meyer К. P., Helv. Phys. Acta, 12, 349 (1939).
50.	Dhere C., Fortschr. Chem. organ. Naturstoffe, 2, 301 (1939).
51.	Seybold A., Egle K., Botan. Arch., 41, 578 (1940).
52.	Smith E. L., J. gener. Physiol., 24, 1565 (1941).
53.	Rabinowltch E., Epstein L. F., J. Am. Chem. Soc., 63, 69 (1941).
54.	Knorr H. V., Gibson Island A. A. A. S. Symposium on Photosynthesis,
1941 (неопубликовано).
55.	Coe M. R., Oil & Soap, 18, 227 (1941).
56.	Franck J., Livingston R„ J. chem. Phys., 9, 184 (1941).
57.	Stewart A., Knorr M. V., Albers V. M., Phys. Rev., 61, 730 (1942).
58.	Fishman M. M., Moyer L. S., J. gener. Physiol., 25, 755; Science, 95, 128
59.	Weil-Malherbe H., Weiss J., Nature, 149, 471 (1942).
60.	Вавилов С. И., Феофилов П. П„ ДАН СССР, 34, 220 (1942).
(И. Wassink Е. С., Katz Е., Dorrestein R„ Enzymologia, 10, 285 (1942).
62.	Dutton H. J., Manning W. M., Duggar В. M., J. Phys. Chem., 47,308 (1943).
63.	Zscheile F. P., Harris D. G., там же, 47, 623 (1943).
64.	Manning W. M., Strain H. H., J. Biol. Chem., 151, 1 (1943).
65.	Вавилов С. И., Журн. эксп. и meop. физ., 7, 141 (1943).
66.	Вавилов С. И., ДАН СССР, 42, 331 (1944).
67.	Вавилов С. И., ДАН СССР, 45, 7 (1944).
68.	French С. S., Lundberg W. О., Oil & Soap, 21, 23 (1944).
69.	Weil-Malherbe Н., Weiss J., J. Chem. Soc., 544 (1944).
70.	Lewis G. N„ Kasha M., J. Am. Chem. Soc., 67, 994 (1945).
71.	Forster T., Naturwissenschaften, 33, 166 (1946).
72.	Calvin M., Dorough G. D„ Science, 105, 433 (1947).
73.	Forster T., Z. Naturforsch., 2b, 174 (1947).
74.	Kasha M„ Chem. Revs., 41, 401 (1947).
75.	Пекерман Ф. M„ ДАН СССР, 57, 559 (1947).
76.	Forster T„ Ann. Physik, 2, 55 (1948).
77.	Lewis G. N., Calvin M., Kasha M., 1948.
78.	Weiss J., 1948 (частное сообщение).
79.	McClure D. S., presented at Symposium in Molecular Structure and
Spectroscopy, Ohio State Univ., June, 1948.
80.	Livingston R„ First Annual Report ONR Research Project 059, 028 (1948).
81.	Евстигнеев В. В., Красновский А. А., ДАН СССР, 60, 623 (1948).
82.	Franck J., Livingston R., Rev. Modern Phys., 21, 505 (1949).
83.	Livingston R., Second Annual Report, ONR Research Project 059, 028 (1949).
84.	Livingston R., Photochemistry of Chlorophyll, cm. Photosynthesis in Plants,
Iowa State College Press, 1949, p. 179—196.
85.	Livingston R., Watson W. F., McArdle J., J. Am. Chem. Soc., 71, 1542 (1949).
86.	Livingston R., Ke, Chun-Lin, там же, 1949 (будет опубликовано).
87.	Вавилов С. И., Галанин М. Д„ ДАН СССР, 67, 811 (1949).
88.	Вавилов С. И., Галанин М. Д., Пекерман Ф. М., Известия АН СССР,
серия физ., 13, 18 (1949).
89.	Евстигнеев В. В., Гаврилова В. А., Красновский А. А., ДАН СССР,
66, 1133 (1949).
90.	Евстигнеев В. В., Гаврилова В. А. и Красновский А. А., ДАН СССР,
70, 261 (1949).
91.	Arnold W„ Oppenheimer J. R., J. gener. Physiol., 33, 423 (1950).
92.	Duysens L. N. M., Nature, 1951 (в печати).
Флуоресценция пигментов in vitro
215
Флуоресценция каротиноидов н фикобилинов in vitro
93.	Schott F., Ber. deut. botan. Ges., 6, 36, 305 (1888).
94.	Hanson E. K., New Phytologist, 8, 337 (1909).
95.	Rogowski W., Thesis, Univ. Fribourg (Switzerland), 1912.
96.	Turner B., J. Am. Chem. Soc., 38,1402 (1916).
97.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen fiber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
98.	Lemberg R., Ann., 461, 46 (1928).
99.	Lemberg R., Biochem. Z„ 219, 255 (1930).
100.	Klein G., Linser H., Oesterreichische botan. Z„ 79, 125 (1930).
101.	Dhere C., Fontaine M., Ann. Inst, oceanogr., 10, 245 (1931).
102.	Roche J., Arch. phys. b<ol., 10, 91 (1933).
103.	Dhfere C., Raffy A., Compt. rend. soc. biot., 119, 232 (1935).
104.	Strain H. H„ Nature, 137,946 (1936).
105.	Dhere C., Fortschr. Chem. org. Naturstoffe, 2, 301 (1939).
106.	Zechmeister L., Sandoval A., Arch. Biochem., 8, 425 (1945).
107.	Zechmeister L., Sandoval A., J. Am. Chem. Soc., 68, 197 (1946).
108.	Van Norman R. W., French C. S., Macdowall F. D. H., Plant Physiol.,
23, 455 (1948).
109.	Arnold W., Oppenheimer J. R., J. gener. Physiol., 33, 423 (1950).
110.	French C. S., Kosk V. M., Proc. Soc. Exptl. Biol., 1951 (в печати).
Глава XXIV
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ПИГМЕНТОВ IN VIVO
Вследствие тесной связи, существующей между флуоресценцией
и сенсибилизацией (см. т. I, гл. XVIII и XIX, и т. II, гл. XXIII),
исследование флуоресценции хлорофилла в живых растениях может
привести к значительным успехам в понимании механизма фотока-
талитического действия этого пигмента в фотосинтезе. Флуоресцен-
ция является таким свойством хлорофилла, которое может наблю-
даться (и уже наблюдалось) одновременно с измерениями фотосинте-
тической активности. Измеряя выход флуоресценции, можно получить
представление об обмене энергии и процессах рассеяния энергии
в фотосинтезирующих клетках, без нарушения их жизненных про-
цессов. До сих пор еще никем не изучались изменения, происходящие
в спектре флуоресценции (или в спектре поглощения) хлорофилла
во время фотосинтеза; однако в будущем такого рода исследования
могут также оказаться выполнимыми и весьма плодотворными.
Многие растительные ткани флуоресцируют в ультрафиолетовом
свете; однако только ткани, содержащие хлорофилл, бактериохлоро-
филл или фикобилины, обнаруживают слабую красную или оранжевую
флуоресценцию при освещении видимым светом. Флуоресценция фико-
билинов (в сине-зеленых и красных водорослях) ярче, чем у хлоро-
филла, вследствие большей ее интенсивности, а также вследствие того,
что глаз обладает большей чувствительностью к оранжевому свету,
чем к красному. Среди зеленых растений водоросли дают флуоресцен-
цию более яркую, чем наземные растения, вследствие того, что рас-
сеяние света, мешающее наблюдению флуоресценции, в пропитанных
водой слоевищах водорослей значительно слабее, чем в листьях, на-
полненных воздухом.
Флуоресценцию листьев наблюдать так трудно, что после того
как она была открыта в 1852 г. Стоксом {1] и описана в 1862 г.
Зиммлером [2] и в 1867 г. Аскенази [3], другие исследователи, в том
числе такие, как Ломмель [5], Гагенбах [4, 6] и Рейнке [8], не смогли
подтвердить ее существование. Хотя Гагенбах [7] и Рейнке [10]
позднее пересмотрели свои взгляды, реальность флуоресценции листьев
в течение четверти века время от времени подвергалась сомнению, до
тех пор пока изобретение флуоресцентного микроскопа не позволило
наблюдать флуоресценцию отдельных хлоропластов (еще в 1883 г.
Энгельман [9] безуспешно пытался наблюдать флуоресценцию хлоро-
пластов в ультрафиолетовом свете при помощи обычного микроскопа).
Флуоресценция пигментов in vivo
217
Эта картина хлоропластов, светящихся малиновым светом на слабо-
молочном фоне, так поразила впервые наблюдавших ее исследовате-
лей [11, 13, 14, 15], что они дали восторженные описания этого
явления. Позднее зеленые листья, а также зеленые и цветные водо-
росли и диатомовые водоросли изучались при помощи флуоресцентной
микроскопии [18, 19, 23, 24, 49]. Одновременно были усовершен-
ствованы также методы макроскопического наблюдения флуоресценции
растений, и первоначальные результаты Стокса были подтверждены
и дополнены. Особо следует отметить работы Дере и его сотрудни-
ков [48, 55], которые выполнили многочисленные спектрофотографи-
ческие исследования флуоресценции растений: бурых, зеленых и синих
водорослей [26, 32, 37], диатомовых водорослей [28] и зеленых
листьев. Целый ряд работ других исследователей [29—31, 35, 36,
40, 41, 44, 46, 47, 54, 56, 58, 59, 61, 63, 66—68] посвящен глав-
ным образом изменениям интенсивности флуоресценции, которые
сопровождают изменения скорости фотосинтеза.
Френч и сотрудники [70, 74] и Дейзенс [75] положили начало
многообещающим спектрофотометрическим исследованиям флуоресцен-
ции, главным образом на красных водорослях.
Спектры флуоресценции растений
Если мы исключим из рассмотрения водоросли, содержащие фико-
билин, то спектроскопическая картина флуоресценции живых расте-
ний окажется весьма простой. Хлорофиллы а и Ъ в растворе дают
спектр флуоресценции, состоящий из двух полос, расположенных
в видимой области (см. табл. 23). В живой клетке эти полосы сдви-
нуты так далеко в сторону более длинных волн, что в видимом
спектре остается лишь первая полоса хлорофилла а и первая полоса
хлорофилла Ь. Таким образом, видимый спектр флуоресценции зеле-
ных листьев и зеленых водорослей состоит только из двух полос.
Бурые и диатомовые водоросли не содержат хлорофилла Ь, поэтому
спектр флуоресценции этих водорослей состоит только из одной
видимой полосы. В т. I (стр. 408) было упомянуто, что Вильшке [14]
и Дере и Фонтэн [26] наблюдали вторую полосу в спектре флуорес-
ценции термически поврежденных бурых водорослей и экстрактов из
этих организмов и приписали эту полосу хлорофиллу с (хлорофуцину);
однако Дере и Раффи не нашли соответствующих полос в спектре
флуоресценции живых бурых водорослей. Позднее Мэннинг и Стрейн
(см. стр. 21) пришли к заключению, что хлорофилл с действительно
имеется в живых диатомовых водорослях, однако они не пытались
подтвердить это наблюдениями полос флуоресценции хлорофилла с
в спектре этих водорослей.
Положения видимых полос флуоресценции двух хлорофиллов
в живых клетках приведены в табл. 32. Два разных значения, поме-
щенные в таблице для листьев Pelargonium, иллюстрируют нашу мысль
218
Глава XXIV
Таблица 32
ПОЛОСЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА В РАСТЕНИЯХ
Растения	Хлорофилл a				Хлоро- филл b	Ссылка на литера- туру
	первая полоса		ОСЬ второй полосы	ось третьей полосы	ось первой полосы	
	ось	макси- мум				
Бурые Fucus virsoides . .	670							Отсут-	[И]
водоросли Ulva lactuca ....	670			—	—	ствует 656,5	[14]
» » ....	684,7	—	—	—	655,5	[26]
Зеленые Chlorella		684,5	681	—	—	—	[17]
водоросли	—	685	—	—	.—	[50]
Hormidium flacci- dum		686	—	—.	—	—	[33]
Elodea canadensis .	670	—	—	—	657,5	[14]
	677,5	—	—	—	655	[П]
Высшие Tradescantia . . . .	685	681	—	—		[17]
растения	/ Pelargonium zonalel	680,51) 686 2)	—	738	—	—	[37]
V	»	684	—.	740	812	—	[42]
Glgartina', Iridaea .	—	707 3)	—	—	—	[70]
™PnCnnrL Porphyridium . . . водоросли r. r 7 Porphyra laciniata	—	605	—	—	—	[74]
	—	690 <)	—	—		[75]
!) Панхроматические пластинки Ильфорд.
9) Пластинки, сенсибилизированные к инфракрасному.
э) Вероятно, хлорофилл (д+/2). Другие максимумы у 575 мр (фикоэритрин) н 655 мр. (фико-
цианин).
Другие максимумы у 725 лер (хлорофилл d?) и 660 лер (фикоцианин).
о том, что положение оси полос зависит от кривой чувствительности
фотографической пластинки.
На фиг. 119 дан спектр флуоресценции листа Pelargonium
[7—на панхроматической пластинке и 2 и 3 — на пластинках, сен-
сибилизированных к инфракрасному (Agfa Infrared 730)] в сравнении со
спектром поглощения того же листа (б) и спектром флуоресценции
хлорофилла в эфире (4). Можно отметить близкое совпадение полосы
флуоресценции in vivo (7) с соответствующей полосой поглощения (6)
и «красное смещение» полосы флуоресценции в живой клетке по
сравнению с ее положением в растворе (2 и 3 ср. с 4).
Дере и Раффи [37] полагают, что вторые полосы флуоресценции
хлорофиллов а и b in vivo, расположенные в ближней инфракрасной
области, могут обусловливать поразительную яркость, которую зеле-
ная растительность дает на ландшафтных снимках, полученных на
Флуоресценция пигментов in vivo
219
сенсибилизированных к инфракрасному пластинках (см. фиг. 79).
Однако флуоресценция живых листьев слишком слаба, чтобы давать
такой замечательный эффект. Мекке и Болдуин [51] опровергли гипо-
тезу Дере, показав, что растительность остается темной, если она
освещается светом, не содержащим инфракрасного излучения, и сни-
мается через фильтр, пропускающий только один инфракрасный свет.
Таким образом, яркость зеленых растений в инфракрасном свете свя-
зана с отсутствием поглощения, а не с флуоресценцией.
Дере и Бирмахер [42] сфотографировали флуоресценцию листьев
Pelargonium на пластинках, сенсибилизированных к далекому инфра-
красному излучению, и нашли новую полосу с осью у 812 мр, тяну-
щуюся до 830 мр. В табл. 33 длины волн пиков четырех известных
полос флуоресценции хлорофиллов а и Ъ в живых клетках сравни-
ваются с длинами волн соответствующих полос в эфирных растворах.
Табл. 33 показывает, что в живых клетках полосы флуоресценции
сдвинуты на 5—15 мр по направлению к инфракрасной области по
сравнению с их положениями в эфирных растворах, т. е. почти на
то же самое расстояние, как и соответствующие полосы поглощения.
Сильное смещение первого пика связано с реабсорбцией. Френч [74]
нашел его у 675 мр в светлозеленых и у 685 мр в темнозеленых
листьях. Отношение интенсивностей максимумов полос I: II состав-
ляло 5 : 1 в первом случае и 1 : 1 во втором.
Таблица 33
ПОЛОСЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА В РАСТЕНИЯХ
И Б ЭФИРНЫХ РАСТВОРАХ ')
Полоса	Ось, лер.а)		Максимум, лгр-	
	растение	раствор	растение	раствор а)
( I  . .	680, 685	6724)	681—685	665
Хлорофилл а [ II . . .	740	736	—	720
[ III . . .	812	801	—	—
( I . . .	656	6514)	—	649
Хлорофилл b < II . . .	—	713	—	708
| Ш . . .	—	789	—	—
На сенсибилизированных к инфракрасному пластинках Ильфорд.
э) По данным Бирмахера [43].
•) См. табл. 23.
4) Разница между этими значениями и значениями табл. 23 приписывается
Бирмахером [43] малой чувствительности сенсибилизированных к инфракрасному
пластинок в оранжевом свете. Значения табл. 23, повидимому, точны; они не
включены сюда, чтобы сохранить полноту табл. 33.
Вермейлен, Вассинк и Реман [50] дали спектрофотометрические
кривые флуоресценции водоросли Chlorella (хлорофилл а-\-Ь) и бак-
220
Глава XXIV
терий Chromatium (бактериохлорофилл); эти кривые приведены на
фиг. 120 и 121. Chlorella дает пик у 680 мр, а у 740 мц— лишь
незначительный перегиб. Дейзенс [75] нашел, что даже в свете,
поглощаемом хлорофиллом £>, Chlo-
rella дает только флуоресценцию
хлорофилла а, что говорит об эффе-
ктивном переносе энергии от Ь к а.
Сравнение фиг. 109 и 121 пока-
зывает, что полоса флуоресценции
у пурпурных бактерий смещена зна-
чительно сильнее, чем у зеленых
растений. Спектр флуоресценции
живых Chromatium обнаруживает
только одну полосу у 926 мр, тогда
как экстракт дает две полосы:
у 806 и 695 мр. На стр. 159 упо-
миналось, что первая, более интен-
сивная полоса может быть сопостав-
Ф и г. 120. Спектр флуоресценции
суспензии Chlorella [50].
I—при освещении ртутной лампой с фильт-
ром UG2; II—при освещении без фильтра.
лена с главной полосой поглоще-
ния экстрагированного бактериохло-
рофилла у 770 мр, но что связь
полосы флуоресценции у 695 жр
и полосы поглощения у 605 жр
сомнительна. В спектрах поглощения живых пурпурных бактерий
обнаруживаются две (или три) полосы поглощения: у 860—870 и
Фиг. 121. Спектр флуоресценции суспензии
Chromatium [50].
Z —ртутная лампа с фильтром UG2; II—ртутная лампа
с желто-зеленым фильтром; III—ртутная лампа без
фильтра.
800 жр (см. стр. 109); однако и здесь только первая из них может
быть сопоставлена с главной (X —> Z) полосой поглощения раство-
Флуоресценция пигментов in vivo
221
ренного бактериохлорофилла (у 770 лгу.). Идентификация же второй,
сравнительно слабой и меняющей свою интенсивность полосы с поло-
сой у 605 му. не достоверна (см. стр. 109). Связь между
полосами флуоресценции и полосами поглощения бактериохлорофилла
иллюстрирует табл. 34. Таблица показывает, что полоса флуоресцен-
ции I смещена in vivo по направлению к инфракрасной области при-
мерно на 120 му. по сравнению с ее положением in vitro и только
на 60 му. по сравнению с положением соответствующей полосы по-
глощения in vivo.
Таблица 34
СПЕКТРЫ БАКТЕРИОХЛОРОФИЛЛА IN VITRO И IN VIVO
Спектры	Полосы		
	I, мр- (X^>Z)	II, мр (Х+У)	Ш, му. ?
Спектр поглощения клеток 		860—870		800
экстракта ....	770	605	—
Спектр флуоресценции клеток 		926	—	—
экстракта ....	806	695 (?)	—
Эта сводка показывает, что в спектре бактериохлорофилла живой
клетки отсутствуют одна полоса поглощения и одна полоса флуорес-
ценции, которые наблюдаются в экстрактах, но зато в этом спектре
обнаруживаются одна или две дополнительные полосы поглощения,
без соответствующих полос флуоресценции в клетках и в спектре
раствора. Дейзенс [75] подтвердил, что Chromatiam и Rhodospirillum
дают только одну полосу флуоресценции, которая связана с полосой
поглощения у 890 му. Поглощение в полосах 800 и 850 му способ-
ствует возбуждению этой полосы флуоресценции; то же получается
и при поглощении каротиноидов, но с эффективностью, меньшей на
50—70°/п. Таким образом, энергия возбуждения от всех пигментов
бактерий передается бактериохлорофиллу, имеющему наиболее низкую
энергию возбуждения.
Флуоресценция зеленых бактерий (Chlorobium mirable), связан-
ная, возможно, с наличием бактериовиридина (см. т. I, стр. 409),
наблюдалась Будером [12].
Флуоресценция фикобилинов в красных и сине-зеленых водорос-
лях представляет большой интерес, так как ее изучение может спо-
собствовать выяснению взаимодействия двух различных флуоресци-
рующих пигментов в одной клетке. На первой фотографии спектра
флуоресценции Rhodomenia, полученной в 1931 г. Дере и Фонта-
222
Глава XXIV
ном [26, 27], была .зафиксирована одна полоса в оранжевой (фико-
эритрин) и одна — в красной области (хлорофилл и фикоцианин).
Ван-Норман, Френч и Макдоуэлл [70] измерили кривые флуорес-
ценции двух красных водорослей Gigartina и Iridaea. Обе кривые
обнаружили три пика: у 575 му. (фикоэритрин, см. стр. 211),
655 мц (фикоцианин, см. стр. 212) и 700 мц (хлорофилл, вероятно,
a-j-d; см. ниже). Кривые фиг. 122 для Porphyridiam заимствованы
у Френча [74]; на фигуре видно, что при возбуждении клеток светом
Фиг. 122. Спектры флуоресценции красной водоросли при освеще-
нии равными энергиями различных длин волн.
А. Х=436 жрь. Б. 1=476 жр.. В. 1=546 жр..
А = 436 ми. или 450 мр, т. е. светом, поглощаемым только хлоро-
филлом и каротиноидами, флуоресцирует только один хлорофилл.
Полосы фикобилина появляются при возбуждении светом А == 470,
490 и 546 мц; однако несмотря на то, что большая часть падающего
света в этом случае поглощается фикоэритрином, флуоресценция хло-
рофилла остается интенсивной.
Полоса хлорофилла а на фиг. 122 обнаруживается на своем обыч-
ном месте — у 685 мц; однако появляется добавочная полоса у 730 мц.
Эта полоса может быть приписана хлорофиллу d. Слабое поглощение
хлорофилла d, проявляющееся лишь небольшой волнистостью кривых
фиг. 67, наводит на мысль о том, что флуоресценция хлорофилла d
возбуждается главным образом передачей энергии от других пигмен-
тов. Это убедительно подтверждается наблюдениями Дейзенса [75],
Флуоресценция пигментов in vivo
223
сообщившего, что «неидентифицированный пигмент», возможно хло-
рофилл d, поглощение которого в Porphyra lacineata не достигает
0,1% поглощения хлорофилла а, излучает при возбуждении светом
Л = 420 мр флуоресценцию, в 10 раз более интенсивную, чем хлоро-
филл а (фиг. 123). При возбуждении светом Л = 546 мр полоса хло-
рофилла а, лежащая у 685 мр, немного интенсивнее полосы хлоро-
филла d у 730 мр. В согласии с данными Френча (фиг. 122), полоса
Фиг. 123. Спектры флуоресценции при различной длине волны возбуждаю-
щего света.
А. Х=420 м\к. Б. Х=516 му..
I—водоросли; II—хлорофилл; III—фикоцианин; IV—хлорофилл а плюс фикоцианин; V—не-
известный пигмент.
флуоресценции фикоцианина у 665 мр очень слаба при возбуждении
фиолетовым светом и становится интенсивной при возбуждении зеле-
ным светом.
Выход флуоресценции и сенсибилизированная
флуоресценция in vivo
Все исследователи подтверждают, что флуоресценция хлорофилла
в живых клетках слаба, но работ по абсолютному измерению ее
выхода очень мало. Вермейлен, Вассинк и Реман [50] определили
квантовый выход флуоресценции для четырех суспензий Chlorella и
нашли значения между 0,15 и 0,30%. Вассинк и Керстен [67] нашли,
что выход флуоресценции суспензии диатомовых водорослей состав-
ляет около 0,15%- Для Chromatiam (пурпурная бактерия) Вермейлен,
Вассинк и Реман [50] сначала нашли значительно меньший выход:
224
Глава XXIV
0,005—0,01%. Эти цифры неправдоподобно низки для «флуоресци-
рующего» вещества (теоретически наиболее низкий выход, до кото-
рого флуоресценция может падать даже в «нефлуоресцирующем»
пигменте, составляет около 0,001%, так как отношение периода
молекулярного колебания и времени жизни электронного возбуждения
составляет 10—12>5/10—7-5 — 10~5). Повторное определение выхода флуо-
ресценции Chromatium, проведенное Вассинком, Катцом и Дорре-
штейном [63], действительно дало значительно более высокие значе-
ния, порядка 0,1%, т. е. подобные тем, которые обнаруживаются
у водорослей. Причиной или, по крайней мере, одной из причин
ошибочности первых измерений могла быть реабсорбция.
Фиг. 124. Выход флуоресценции суспензий Chlo-
rella в зависимости от длины волны возбуждаю-
щего света [50] (четыре серии измерений).
Выход флуоресценции живых сине-зеленых водорослей (Chroo-
coccus) был оценен Арнольдом и Оппенгеймером [73] грубым мето-
дом (визуальное сравнение с интенсивностью света, рассеянного
окисью магния); они нашли выход порядка 1,5%, что почти в 10 раз
выше, чем выход флуоресценции в зеленых клетках. Возможно, что
эта флуоресценция обусловлена главным образом фикоцианином, хотя
хлорофилл также может вносить свою долю.
Интересные результаты получились при изучении влияния длины
волны возбуждающего света на флуоресценцию живых клеток. Вер-
мейлен, Вассинк и Реман [50] нашли, что спектральное распределе-
ние света флуоресценции Chlorella и Chromatium не зависит от длины
волны возбуждающего излучения. Квантовый выход флуоресцен-
ции (©) также оказался приблизительно постоянным: между 442 и
624 мр для Chlorella и между 450 и 750 мр для Chromatium. Однако
медленное систематическое спадание <р наблюдалось у Chlorella при
более коротких длинах волн — тенденция, которая проявляется осо-
бенно сильно в области ниже 424 мр (фиг. 124). У Chromatium
максимумы и минимумы © наблюдались в двух или трех местах види-
мого спектра (фиг. 125). На основании этого авторы пришли к за-
ключению, что квантовый выход флуоресценции хлорофилла in vivo
не зависит от длины волны, если только к поглощению света хлоро-
филлом или бактериохлорофиллом не примешивается поглощение света
Флуоресценция пигментов in vivo
225
каротиноидами. В зеленых растениях это имеет место только в обла-
сти ниже 520 му, тогда как каротиноиды пурпурных бактерий дают
полосы поглощения в зеленой, желтой и оранжевой областях (см.
табл. Ии фиг. 74), и эти полосы должны обусловливать, по край-
ней мере, первый минимум в выходе флуоресценции, заметный на
фиг. 125 у 550 му.
Заключения Вермейлена и его сотрудников с качественной сто-
роны кажутся правдоподобными, однако количественные их определе-
ния ведут к некоторым интересным осложнениям. Например, у Chlo-
rella ® уменьшается в фиолетовой области всего на 10—20°/о, в то
время как данные фиг. 91 говорят о том, что на долю каротиноидов
должна приходиться, по крайней мере, J/s всего поглощения в этой
Фиг. 125. Выход флуоресценции суспензий Chro-
matium в зависимости от длины волны возбуждаю-
щего света [50] (четыре серии измерений).
области. Создается такое впечатление, будто флуоресценция хлоро-
филла может возбуждаться с большой вероятностью также светом,
поглощаемым каротиноидами. Это предположение замечательно под-
тверждается опытами с диатомовыми водорослями, содержащими фуко-
ксантол.
Результаты этих экспериментов, выполненных Дэттоном, Мэннин-
гом и Даггаром [65], даны в табл. 35. Они говорят о том, что выход
флуоресценции хлорофилла одинаков независимо от того, возбуж-
дается ли флуоресценция красным светом, поглощаемым исключи-
тельно хлорофиллом, или сине-зеленым светом (А = 470 му), 75% кото-
рого, возможно, поглощается каротиноидами, главным образом фуко-
ксантолом (см. фиг. 95, 248 и 249). В табл. 35 включены также
новые результаты, полученные с Chlorella, которые подтверждают
выводы, сделанные в ранних работах Вассинка и его сотрудников.
Эти результаты говорят о том, что свет, поглощаемый каротином и
лютеолом, возбуждает флуоресценцию хлорофилла в зеленых водо-
рослях почти столь же эффективно, как и свет, поглощаемый фуко-
ксантолом у диатомовых водорослей. В странном противоречии с этим
15 Зак. «МО. Е. Рабинович
226
Глава XXIV
Таблица 35
ПРЯМАЯ И СЕНСИБИЛИЗИРОВАННАЯ КАРОТИНОИДАМИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
ХЛОРОФИЛЛА В ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЯХ
(по Дэттону, Мэннингу и Дэггару, [65])
Материал	Сравниваемые длины волн возбу- ждающего света, лер.	Доля энергии, поглощаемой хлорофиллом О?	Отношение выходов флуоре- сценции, возбуждаемой светом двух длин волн	
			ожидаемое (без переноса энергии)	наблюдаемое
	470 и 578—600	26 и 95—99	0,27	1,2+ 0,2
Nitzschia closterium |	436 и 578-600	51 и 95—99	0,53	1,1 +0,2
Chlorella pyrenoi- i	470 и 578—600	52 и 100	0,52	1,05 + 0,04
dosa	1	436 и 578—600	81 и 100	0,81	0,93 + 0,18
	470 и 600	19 и 100	0.19	0.22 + 0,02
Ацетоновый экстракт j	436 и 578	40 и 99	0,40	0,49 + 0,07
Ацетоновый раствор				
хлорофиллов а и Ь	436 и 578	100	1,0 2)	0,97 + 0,06 2)
*) Эти оценки являются довольно грубыми приближениями (см. гл. XXII, стр. 135), однако
вряд ли ошибки настолько велики, чтобы ими можно было объяснить все разности между вы-
численными и наблюденными отношениями в двух последних столбцах.
*) Пропорция света, поглощаемого этими двумя компонентами хлорофилла, почти одинакова
для 436 и 578 лер.. Поэтому отношение выходов должно составлять около 1,0, несмотря на раз-
личие в спектрах флуоресценции между хлорофиллами а и Ь.
находится результат экспериментов с ацетоновым экстрактом из
Nitzschicr, здесь свет, поглощаемый каротиноидами, совершенно теряется
для флуоресценции. Опыт с ацетоновыми растворами хлорофиллов а
и b показывает, что квантовый выход флуоресценции хлорофилла
в растворе не возрастает с изменением длины волны возбуждающего
света в области 436—578 жр.. Из этого следует, что результаты
первых двух экспериментов не могут быть объяснены возрастанием
выхода несенсибилизированной флуоресценции хлорофилла в фиоле-
товом свете. Перенос возбуждения от каротиноидов к хлорофиллу
может иметь место в достаточно концентрированных растворах; в пре-
дыдущей главе мы упоминали, что Дейзенс [75] сообщил о переносе
возбуждения от хлорофилла b к хлорофиллу а в ацетоновом растворе
(IO-8 М).
Опыты Дэттона и Мэннинга имеют большое значение для теории
фотосинтеза. Они говорят о том, что энергия, поглощаемая некото-
рыми каротиноидами, может быть использована хлорофиллом почти
в той же степени, как и поглощенная непосредственно зеленым пиг-
ментом. Таким образом, хлорофилл может играть роль фотокатализа-
Флуоресценция пигментов in vivo	227
тора в фотосинтезе даже тогда, когда в качестве «первичного сен-
сибилизатора» действует другой пигмент. Результаты, аналогичные
тем, которые даны в табл. 35, были получены также Вассинком и
Керстеном [67] с Nitzschia dissipata.
Еще более интересные данные получены с красными водорослями.
Ван-Норман, Френч и Макдоуэлл [70] впервые получили указания
на то, что флуоресценция хлорофилла в Gigartina и Iridaea мо-
жет возбуждаться с одинаковой (если не более высокой) интенсив-
ностью светом, поглощаемым фикоэритрином (у 560 щр.), и светом,
поглощаемым хлорофиллом (у 560 лр.). Фиг. 122 ясно показывает,
что свет, поглощаемый хлорофиллом и частично каротиноидами
у 436 щр., не может возбудить флуоресценцию фикоэритрина или
фикоцианина (кривая на графике А). С другой стороны, свет, погло-
щаемый главным образом фикоэритрином, возбуждает флуоресценцию
не только обоих фикобилинов, но также и хлорофилла (кривые на
графиках А, Б и В). Перегиб на длинноволновой ветви полосы хло-
рофилла а, вероятно, обусловлен хлорофиллом d (см. ниже).
Спектры флуоресценции Porphyra lacineata (см. фиг. 123), полу-
ченные Дейзенсом [75], говорят о том, что после возбуждения
светом К = 420 мц, поглощаемым хлорофиллом и каротиноидами,
более 9О°/о энергия возбуждения передается «неизвестному пигменту»
(возможно, хлорофиллу d); менее 1О°/о всей флуоресценции испу-
скается хлорофиллом а, и только ничтожная доля ее излучается
фикоцианином. Возбуждение светом к = 546 поглощаемым глав-
ным образом фикоэритрином, вызывает сильную флуоресценцию фико-
цианина и хлорофилла а и сравнительно слабую флуоресценцию хло-
рофилла d. Дейзенс считает, что эти результаты могут указывать на
существование в красных водорослях пигментных комплексов двух
типов; он предполагает, что большая часть хлорофилла а может
соединяться с хлорофиллом d и передавать практически всю энергию
возбуждения последнему пигменту, хотя он присутствует в таких
малых количествах, что в спектре поглощения его вообще очень
трудно заметить (см. стр. 223). Малая часть хлорофилла а, не
соединенная с хлорофиллом d, может ассоциироваться с фикобилинами
и играть роль конечного приемника большей части поглощенных ими
квантов. Данные Френча говорят о том, что «отток» энергии к хло-
рофиллу d может широко варьировать от вида к виду. В гл. XXIX
эта гипотеза будет сопоставлена с результатами определений кванто-
вого выхода, полученными Гаксо и Блинксом, которые заметили низ-
кую фотосинтетическую эффективность света, поглощаемого хлоро-
филлом, в некоторых красных водорослях. В гл. XXXII мы попы-
таемся решить, можно ли тот парадоксальный факт, что флуоресцен-
ция хлорофилла а возбуждается более сильно светом, поглощаемым
фикобилинами, чем светом, поглощаемым самим хлорофиллом а, объяс-
нить, не прибегая к гипотезе Дейзенса о двух разных пигментных
комплексах в красных водорослях.
15*
228
Глава XXIV
Основное правило, вытекающее из вышеописанных экспериментов
с флуоресценцией, состоит в том, что клетки растения содержат один,
а иногда, может быть, и два пигментных комплекса, в которых энер-
гия, поглощаемая одним из компонентов, может передаваться к ком-
поненту с более низким уровнем возбуждения и может испускаться
обратно главным образом как флуоресценция последнего, даже если
он присутствует в очень низких относительных концентрациях.
Эта картина подтверждается наблюдениями Дейзенса [75] (см.
стр. 221), который обнаружил, что в пурпурных водорослях вся
энергия, поглощенная некоторыми каротиноидами или различными фор-
мами бактериохлорофилла, переходит к бактериохлорофиллу, который
имеет наинизший уровень возбуждения.
В конце предыдущей главы мы упоминали о наблюдениях Арнольда
и Оппенгеймера [73], которые обнаружили возрастание флуоресценции
фикобилина при разрушении клеток Chroococcus под водой, и объяс-
нили этот эффект уменьшением вероятности переноса энергии от воз-
бужденных молекул фикобилина к молекулам хлорофилла вследствие
разбавления пигментов в растворе.
Если предположить, что весь хлорофилл в клетке присутствует
в одной и той же форме, то выход флуоресценции означает укоро-
чение естественного времени жизни возбужденного состояния т0
до т = ®т0. Для хлорофилла в Chlorella, в предположении, что
т0 = 8- IO-8 сек. (см. стр. 40), мы получаем
т = С1 • 10-8- 8 • IO'8 = С2- 10-10 сек., (24.1)
где Cj изменяется от 1,5 до 3 и С2 изменяется от 1,2 до 2,4.
В случае бактериохлорофилла (в Chromatium), если принять то
же значение т0, получаем
т = 7  10-8-8 • 10-8 = 0,6 • 1О-10 сек.	(24.2)
Время жизни возбужденных молекул хлорофилла в живых клетках
может определяться двумя факторами, которые и обусловливают, таким
образом, вычисленные выше малые значения т: «нормальным» рассея-
нием энергии в белково-пигментно-липоидном комплексе (хлоропластин)
и тушением или стимуляцией флуоресценции при метаболических
процессах. Последнее может быть, в свою очередь, двух родов: пря-
мым «фотохимическим тушением» в силу конкуренции между сенси-
билизированной фотохимической реакцией и флуоресценцией и непря-
мым тушением (или, наоборот, стимуляцией) флуоресценции, обусло-
вленным метаболическим образованием веществ, которые ослабляют
или усиливают флуоресценцию хлорофилла. Наблюдения, о которых
будет упомянуто в помещаемом ниже разделе, могут служить указа-
нием на изменения в общей структуре хлоропластинового комплекса.
В следующем разделе, а также в гл. XXVII, XXVIII и XXXIII мы
Флуоресценция пигментов In vivo
229
обсудим изменения в интенсивности флуоресценции, тесно связанные
с участием хлорофилла в фотосинтезе.
Влияние тепла и влажности иа флуоресценцию
хлорофилла in vivo
Было установлено, что если осадок хлоропластов [22] или живые
листья [571 поместить в горячую воду, то их флуоресценция исчезает
почти мгновенно; в то же самое время красная полоса поглощения
смещается в коротковолновую сторону. Это превращение наблюдается
при температурах 64—72°. Если листья остаются в горячей воде
в течение нескольких минут, флуоресценция восстанавливается, но
полоса поглощения остается смещенной. Метцнер [49], вероятно, имел
дело с тем же самым явлением, когда он описывал «вспышку» флуо-
ресценции при нагревании хлоропластов, наблюдавшихся им во флуо-
ресцентном микроскопе.
Зейбольд и Эгле [57] отметили, что высушивание тушит флуорес-
ценцию свежих листьев, но не листьев, убитых кипячением. Флуорес-
ценция некоторых растений обладает высокой чувствительностью
к малейшим изменениям влажности. Так, например, флуоресценция
колоний Pleurococcus на древесине исчезает после выдерживания коло-
нии в течение 1—2 час. в атмосфере с относительной влажностью
меньше 80% при 25°; флуоресценция Mnium punctatum исчезает при
снижении влажности ниже 85%. Флуоресценция листьев Adiatum и
Parietaria несколько менее чувствительна, но и она также перестает
быть видимой после выдерживания листьев в течение 1—2 дней
в атмосфере с 75-процентной относительной влажностью.
Флуоресценция быстро высушенных листьев не восстанавливается
при увлажнении, но при погружении в кипящую воду лист опять начи-
нает флуоресцировать. Подобное же превращение «чувствительной»
флуоресценции живых клеток в «стабильную» флуоресценцию мертвых
клеток может быть получено при замораживании или погружении
в эфир. В последнем случае флуоресценция обработанного таким обра-
зом материала значительно сильнее, чем флуоресценция живых клеток.
Зейбольд и Эгле сочли эти результаты доказательством того, что
практически весь хлорофилл в листьях находится в нефлуоресцирую-
щем состоянии (вероятно, связан с белком); малая же доля пигмента
растворена в липоидной фазе и поэтому способна флуоресцировать.
Они полагали, что при высушивании фракция хлорофилла, обычно
присутствующая в липоидной фазе, переводится в водно-коллоидное
состояние, тогда как при нагревании хлорофилл сначала экстрагируется
из липоидной фазы в коллоидно-белковую фазу, что приводит к исчез-
новению флуоресценции, но позднее возвращается в липофильное веще-
ство (в связи с денатурацией белков и плавлением липоидов) и вслед-
ствие этого опять начинает флуоресцировать. Метцнер [49] также
приписывал «вспышку» флуоресценции при нагревании плавлению
230
Глава XXIV
липоидов. Основой этой «двухфазной» гипотезы Зейбольда и Эгле
служило представление о том, что все хлорофилл-белковые комплексы
не флуоресцируют. Хотя это допущение кажется верным для чистых
хлорофилл-белковых преципитатов (см. стр. 185), однако оно непри-
ложимо к комплексам, которые содержат и белки, и липоиды, т. е.
к «коацерватам» типа, описанного Губертом и Фрей-Висслингом (см.
гл. XXIII, стр. 187); аргументы Зейбольда и Эгле поэтому неубеди-
тельны. Влияние нагревания и высушивания на флуоресценцию хлоро-
филла in vivo можно объяснить проще, чем это сделали Зейбольд и
Эгле. Для этого допустим, что пигменты, нормально содержащиеся
в слабо флуоресцирующем белково-пигментно-липоидном комплексе,
теряют защиту от самотушения и поэтому становятся нефлуоресци-
рующими, когда липоиды плавятся при нагревании, образуя отдельную
фазу; когда же белково-пигментная связь нарушается при денатура-
ции (например, в результате несколько более продолжительного нагре-
вания), пигменты диффундируют в эту новую фазу и вследствие этого
опять становятся флуоресцирующими. Смещение полос флуоресценции
хлорофилла в живых клетках на 5—15 жр в сторону более длинных
волн, по отношению к их положению в органических растворителях,
согласуется с предположением о том, что флуоресценция испускается
теми же молекулами хлорофилла, которые дают полосы поглощения,
смещенные подобным же образом.
Зейбольд и Эгле, наоборот, вынуждены были приписать полосы
флуоресценции той части хлорофилла, которая растворена в липоиде,
а полосы поглощения — всей массе хлорофилла, присутствующей в кол-
лоидном состоянии в соединении с белком. Вследствие этого их теория
была построена на предположении о том, что полоса флуоресценции
хлорофилла сдвинута в липоидах по направлению к длинным волнам
значительно более сильно, чем соответствующая полоса поглощения.
Однако эту гипотезу мы считаем мало вероятной (см. стр. 154).
Подводя итоги, можно сказать, что, повидимому, нет причин при-
писывать флуоресценцию живых растений малой доле молекул хлоро-
филла, находящейся в сильно флуоресцирующем растворенном состоя-
нии, а не всей массе пигмента, образующей слабо флуоресцирующий
комплекс с белками и липоидами (в том числе и каротиноидами).
Тесная связь между интенсивностью флуоресценции и скоростью фото-
синтеза, которую мы рассмотрим в следующем разделе, также гово-
рит о том, что флуоресценция является свойством не малой части,
но всей массы хлорофилла в клетке.
Изменения флуоресценции хлорофилла, связанные
с фотосинтезом
В предыдущем разделе мы рассматривали флуоресценцию хлоро-
филла in vivo в связи с тем, что можно было бы назвать основным
состоянием зеленого пигмента в живой клетке, т. е. в связи с его
Флуоресценция пигментов in vivo
231
высокой концентрацией и ассоциацией (в виде хлоропластина) с бел-
ками и липоидами. Влияние высушивания, нагревания, кипячения или
погружения в эфир, описанное в этом разделе, можно интерпретиро-
вать как указание на частичную или полную дезинтеграцию.
В данном разделе мы рассмотрим обратимые изменения выхода
флуоресценции, которые более или менее тесно связаны с фотосинте-
тической активностью и, повидимому, не связаны с существенными
изменениями в структуре хлоропластина.
Каутский [25] нашел, что быстрые изменения интенсивности флуо-
ресценции листьев, наступающие после периода темноты в первые
секунды или минуты освещения, имеют определенное отношение к ранее
известным изменениям скорости фотосинтеза во время этого «периода
индукции». Последующие исследования Каутского и его сотрудников
(1931—1948), Франка и его сотрудников (1934—1949), Мак-Алистера
и Майерса [58] и голландской группы (Орнштейн, Вассинк, Катц,
Доррештейн и другие, 1937—1949) выявили много ярких примеров
тесной связи между интенсивностью флуоресценции и скоростью фото-
синтеза в тот же момент. Это соотношение можно наблюдать не только
во время индукционного периода, но также и в стационарном состоя-
нии. Было найдено, что такие факторы, как интенсивность света,
температура, концентрация реагентов, которые участвуют в фотосин-
тезе, присутствие кислорода и различных ядов и наркотиков, сильно
влияют на выходы флуоресценции и фотосинтеза.
Тесное соотношение между флуоресценцией хлорофилла и его
фотосенсибилизирующей активностью, обнаруженное из параллельных
измерений выходов фотосинтеза и флуоресценции, сделало флуорес-
центные исследования важным средством для кинетического анализа
фотосинтеза. Поэтому мы намерены ограничиться в настоящей главе
только некоторыми общими соображениями на эту тему, оставляя более
детальное описание экспериментальных результатов до тех глав чет-
вертой части, которые касаются влияния на кинетику фотосинтеза
интенсивности света, температуры, концентрации СО2 и других внеш-
них факторов.
Флуоресценция является одним из тех процессов, посредством
которых возбужденные молекулы хлорофилла могут растрачивать свою
энергию. Другие процессы — это рассеяние энергии (переход в коле-
бательную энергию и, в конечном счете, в тепло) и фотохимические
реакции с участием самого хлорофилла или сенсибилизируемые им.
Способность флуоресцировать, присущая возбужденной молекуле хлоро-
филла (мономолекулярная константа флуоресценции, kf, или величина,
обратная ей, — естественное время жизни возбужденного состояния, у),
может рассматриваться как постоянная до тех пор, пока спектр погло-
щения молекулы хлорофилла существенно не изменяется. Способность
к диссипации энергии (мономолекулярная константа диссипации, k{) и
скорость потери энергии при химических реакциях (константы ско-
рости, k*, k\ .... которые могут быть мономолекулярными или
232
Глава XXIV
бимолекулярными) являются, напротив, величинами, изменение которых
зависит от ассоциации молекул хлорофилла с другими молекулами
до возбуждения и от их соударений с другими молекулами во время
возбуждения (см. гл. XXIII — раздел, касающийся тушения и самотуше-
ния флуоресценции хлорофилла in vitro). Изменения флуоресценции
хлорофилла in vivo, связанные с изменениями в скорости фотосинтеза,
должны быть поэтому приписаны изменениям в строении или струк-
туре хлорофиллового комплекса (с соответствующим изменением вели-
чины мономолекулярных констант диссипации и химического тушения)
и изменениям вероятности соударений за время возбуждения хлоро-
филлового комплекса и молекул, способных играть роль эффективных
«физических» или «химических» тушителей (с соответствующим изме-
нением величины бимолекулярных констант тушения).
Все более или менее детальные интерпретации изменений флуорес-
ценции в фотосинтезирующих растениях, высказанные исследователями
до настоящего времени, основаны на этих общих идеях, но расходятся
в том, какому из специфических механизмов тушения приписывается
главная роль. Некоторые исследователи (например, Каутский, Вассинк
и Катц) приписывают главную роль химическому тушению веществами,
участвующими в фотосинтезе. Поэтому они рассматривают всякое уси-
ление флуоресценции как доказательство уменьшения эффективности
сенсибилизированного фотохимического процесса (с соответствующим
уменьшением химического тушения) и всякое ослабление флуоресцен-
ции как доказательство усиления эффективности использования энер-
гии возбуждения для сенсибилизированных фотохимических реакций
(с соответствующим усилением химического тушения). Другие иссле-
дователи (Франк) усматривают главную причину изменений интенсив-
ности флуоресценции в образовании комплексов хлорофилла с поверх-
ностно активными веществами (наркотиками), которые замедляют
рассеяние энергии и в то же самое время угнетают фотохимическую
сенсибилизацию, препятствуя соприкосновению светочувствительного
субстрата с хлорофиллом. Здесь предполагается, таким образом, осла-
бление обоих конкурирующих с флуоресценцией процессов: сенсиби-
лизации и рассеяния, тогда как теории первого типа признают пода-
вление только одного конкурирующего процесса (сенсибилизации),
принимая, что два других процесса (рассеяние и флуоресценция) оди-
наково выигрывают от устранения их общего конкурента.
Мы рассмотрим теперь более подробно некоторые предполагаемые
механизмы взаимоотношения флуоресценции и фотосинтеза, начиная
с представлений, изложенных в т. I (см. гл. XIX).
На фиг. 79, т. I (стр. 554) мы пытались схематически предста-
вить вероятное соотношение между сенсибилизацией и флуоресценцией
хлорофилла in vivo. Первоначально эта схема была построена для
истолкования сенсибилизированного фотоокисления, но можно пред-
положить, что и в случае фотосинтеза имеются в основном аналогич-
ные условия. Первичным процессом (т. I, гл. XIX) мы считали «тауто-
Флуоресценция пигментов in vivo
233
меризацию» комплекса X • Chi • HZ, образованного ассоциацией хлоро-
филла с окислителем X и восстановителем HZ:
Л'*
X • Chi • HZ —> X - Chi* - HZ —> НХ • Chi • Z. (24.3)
В фотосинтезе за этим первичным процессом должны следовать вто-
ричные каталитические реакции, в которых НХ опять прямо или кос-
венно окисляется до X комплексом двуокись углерода — акцептор,
{СО2} *, a Z опять прямо или косвенно восстанавливается до HZ водой
в обычном фотосинтезе зеленых растений или такими восстановите-
лями, как Н2, H2S или тиосульфат, — в фотосинтезе пурпурных бак-
терий.
В соответствии с этой схемой, изменения интенсивности флуорес-
ценции могут быть связаны с изменениями в фотосинтезе двояким
образом (о чем уже говорилось выше): путем первичных изменений
вероятности сенсибилизированных химических реакций и путем первич-
ных изменений скорости рассеяния энергии в хлорофиллнесущем ком-
плексе. Если скорость рассеяния постоянная, то флуоресценция будет
указывать эффективность, с которой энергия возбуждения хлорофилла
используется в первичном фотохимическом процессе (уравнение 24.3).
Каждый раз, когда первичный фотохимический процесс тормозится
по тем или иным причинам, сумма вероятностей двух конкурирующих
противоположных процессов — флуоресценции и внутреннего рассеяния
энергии возбуждения — соответственно возрастает. Так как флуорес-
ценция и внутреннее рассеяние энергии являются двумя альтернатив-
ными мономолекулярными процессами, выход обоих должен меняться
в одинаковой пропорции. Таким образом, флуоресценция становится
показателем выхода первичного фотохимического процесса, даже если
абсолютный ее выход (< 1%) слишком мал для того, чтобы она
могла заметным образом конкурировать с этим процессом. Например,
если выход первичного фотохимического процесса снизится с 80 до
4О°/о и сумма выходов рассеяния- и флуоресценции возрастет вслед-
ствие этого с 20 до 60%, то выход каждого из этих двух процессов
должен увеличиться в 3 раза. Если выход флуоресценции сначала был
<р = 0,2%, то он должен стать 0,6%.
Существование противоположных изменений в выходах флуорес-
ценции и фотосинтеза было открыто Каутским в исследованиях периода
индукции, и мы теперь знаем, что этот тип зависимости является
общим и для явлений индукции, и для устойчивого состояния. Однако
соотношение между выходами фотосинтеза и флуоресценции не всегда
антипараллельно. Иногда выход фотосинтеза значительно изменяется
без заметных изменений в выходе флуоресценции (см., например,
фиг. 198). В других случаях, например в некоторых типах явлений
* Если X — {СО2}, то вторичная реакция есть замена восстановленной
молекулы свежей молекулой СО2.
234 Глава XXIV
индукции, фотосинтез и флуоресценция изменяются в одном и том же
направлении. Картина механизма фотосинтеза, использованная выше
для объяснения обычного антипараллельного хода фотосинтеза и флуо-
ресценции, может быть использована также и для объяснения возмож-
ных исключений из этого антипараллелизма.
Прежде всего флуоресценция конкурирует только с первичной
фотохимической реакцией, а не со всем процессом фотосинтеза. Ско-
рость фотосинтеза, измеренная по выделению кислорода или погло-
щению углекислоты, часто определяется не только эффективностью
первичного фотопроцесса, но также и скоростью одной или несколь-
ких связанных с этим процессом темновых каталитических реакций.
К их числу относятся реакции, которые превращают первичные фото-
продукты в стабильные конечные продукты фотосинтеза. Когда эти
завершающие реакции слишком слабы, чтобы идти наравне с первич-
ным фотохимическим процессом (что может иметь место, например,
в очень сильном свете, или при низких температурах, или в присут-
ствии некоторых ядов), первичные фотопродукты будут накопляться
до определенной концентрации и вновь исчезать при обратных реак-
циях. Вследствие этого квантовый выход фотосинтеза уменьшится,
однако на интенсивности флуоресценции это не отразится, так как
первичный фотохимический процесс, конкурирующий с флуоресцен-
цией, продолжается с неизменной скоростью. Этим можно объяснить
существование светового насыщения в фотосинтезе, без одновремен-
ного возрастания выхода флуоресценции (явление, о котором мы упо-
минали выше).
В т. I (см., например, гл. VII) мы рассматривали, в добавление
к завершающим темновым реакциям, которые, как уже было устано-
влено, повидимому, совсем не влияют на флуоресценцию, также ката-
литические реакции подготовительного характера, например такие, как
связывание углекислоты акцептором с образованием соединения, обо-
значаемого {СО2{. Эти реакции «готовят» реагирующие вещества для
участия в собственно фотохимической реакции. Если одна из этих
подготовительных реакций начинает отставать от первичного фото-
химического процесса (уравнение 24.3), то переход первичного фото-
продукта НХ • Chi • Z в светочувствительную форму X • Chi • HZ задер-
живается. Если образование окислителя {СО2) идет слишком медленно,
тогда как восстановитель {Н2О} (или соответствующие восстановители
в метаболизме бактерий) имеется в избытке, то комплекс хлорофилл-
окислитель-восстановитель может накопляться в восстановленной форме
НХ • Chi • HZ. Если окислителя достаточно, но количество восстано-
вителя ограничено (ситуация, легко реализуемая в опытах с бактериями),
то комплекс должен накопляться в окисленной форме X • Chi • Z. И та,
и другая формы стабильны, потому что они не могут превращаться
в светочувствительную форму X • Chi • HZ путем простой обратной
реакции, и фотостабильны, потому что они не могут испытывать пер-
вичное фотохимическое превращение (уравнение 24.3). Накопление
Флуоресценция пигментов in vivo
235
любой из них, повидимому, усиливает флуоресценцию. Действительно,
повидимому, все факторы (такие, например, как недостаток СО2 или
отравление цианидами), которые резко ограничивают реакцию карбокси-
лирования, СО2 —>- [СО2], обычно увеличивают выход флуоресценции;
то же самое справедливо и для факторов, ограничивающих доставку
восстановителя (Н2, H2S или тиосульфата) у пурпурных бактерий.
Эти соображения могут объяснить, почему световое насыщение
фотосинтеза в некоторых случаях (когда оно обусловливается ограни-
ченной скоростью «подготовительных» реакций) сопровождается воз-
растанием выхода флуоресценции, а в других (когда оно связано
с ограниченной скоростью «конечных» реакций) — не влияет на выход
флуоресценции.
Более подробное рассмотрение этой картины может также объяс-
нить, почему в тех случаях, когда изменения в выходе фотосинтеза свя-
заны с изменениями флуоресценции, меняется не только в широких
пределах абсолютная величина последних, но иногда даже и знак
эффекта становится обратным, обычный антипараллелизм заменяется
параллельным возрастанием (или уменьшением) квантовых выходов как
фотосинтеза, так и флуоресценции.
Флуоресценция и внутренняя диссипация изменяются в равной мере
с изменением скорости первичного фотопроцесса только в том случае,
если фактор, обусловливающий это изменение, не влияет на кон-
станту скорости внутренней диссипации. Нет никакого основания
полагать, что это справедливо для всех случаев. Априорная вероят-
ность (константа скорости) внутренней конверсии может быть совер-
шенно разной в комплексах X • Chi • HZ, НХ • Chi • Z, НХ • Chi • HZ
и X • Chi • Z. Если один из фотостабильных комплексов, например
НХ • Chi  HZ, рассеивает энергию возбуждения более эффективно,
чем светочувствительный комплекс X • Chi • HZ, то эффект туше-
ния флуоресценции при накоплении этого светостабильного комплекса
может перекрывать эффект, стимулирующий флуоресценцию в резуль-
тате подавления первичного фотохимического процесса. Таким обра-
зом результат, в конечном счете, сведется к одновременному умень-
шению выхода как флуоресценции, так и фотосинтеза; другими словами,
флуоресценция, освобожденная в данном случае от одного из двух
конкурирующих с нею процессов — от первичного фотопроцесса,
будет иметь дело со вторым, более сильным конкурентом, внутрен-
ней конверсией, и будет испытывать общее уменьшение. Способность
к диссипации энергии у хлорофиллсодержащих комплексов может
несколько различаться у разных видов и даже штаммов; в против-
ном случае выход флуоресценции должен был бы получаться точно
одинаковым во всех растениях. Этим можно объяснить, почему огра-
ничение в снабжении СО2 (или полное голодание в отношении СО2),
повидимому, оказывает различное влияние на флуоресценцию листьев
[58, 61], пурпурных бактерий [63] и диатомовых водорослей [67].
В первом случае голодание в отношении СОа дает значительное
236
Глава XXIV
возрастание <р при больших интенсивностях света (см. фиг. 199); во
втором случае оно дает легкое возрастание ср при средних интенсив-
ностях и уменьшение при больших (см. фиг. 204); в третьем случае ср
уменьшается на сильном свету в присутствии СО2 и остается посто-
янным в отсутствие СО2 (см. фиг. 202).
Первичный фотохимический процесс может тормозиться не только
недостатком реагентов, например {СО2} или тиосульфата, которые
необходимы для восстановления светочувствительного комплекса, но
также путем наркотизации, которая препятствует контакту комплекса
с реагирующими веществами. В этом случае можно ожидать также
одновременного влияния и на вероятность внутреннего рассеяния, а
именно; в направлении его замедления. Поэтому наркотики усили-
вают, вероятно, флуоресценцию двояким образом: путем предотвра-
щения «химического тушения» первичным фотохимическим процессом
и путем «защитного» действия того типа, который описан в гл. XXIII,
т. е. посредством «обволакивания» возбужденных молекул и ослаб-
ления при этом всех тех взаимодействий с соседними молекулами,
которые сопровождаются рассеянием энергии.
Согласно Франку и другим [60, 61, 68, 71], образование защит-
ных «наркотических» слоев может быть осуществлено посредством
подведения к растению извне таких веществ, как хлороформ или
уретан, а также посредством метаболических реакций, особенно тех,
которые протекают при анаэробных условиях. Франк и его сотруд-
ники полагают, что эти явления внутренней наркотизации обусловли-
вают эффект индукции после продолжительного периода темноты
(см. гл. XXXIII), угнетение фотосинтеза путем анаэробной инкубации
(см. гл. XIII т. I и гл. XXXIII т. III) и полуденную депрессию (см.
гл. XXVI, стр. 286). Во всех этих случаях прекращение или задержка
фотосинтеза сопровождается усилением флуоресценции и влияние на
флуоресценцию часто оказывается значительно сильнее, чем можно
было бы ожидать на основании ограничения первичного фотохимиче-
ского процесса.
В случае угнетения фотосинтеза в темноте, путем анаэробной
инкубации, «наркотиком» может служить продукт ферментации, по-
видимому, кислота, так как его эффект может быть нарушен нейтра-
лизацией. Длительный период индукции и полуденная депрессия могут
быть обусловлены накоплением подобных кислот. С другой стороны,
«короткий» период индукции должен быть связан более непосред-
ственно с внутренним механизмом фотосинтеза. Гаффрон и Франк (см.
гл. XXXIII) предположили, что в этом случае «наркотик» может по-
являться в результате частичного окисления метаболита (сахара?) пер-
вым продуктом окисления в фотосинтезе («фотоперекисью» или, более
широко, — «предшественником кислорода»). Согласно Гаффрону и
Франку, временное накопление этого продукта происходит в первые
секунды освещения вследствие того, что катализатор (или катализа-
торы, которые мы обозначили в гл. VII как Ес и Ео), требуемый для
Флуоресценция пигментов in vivo
237
превращения «предшественника» кислорода в свободный кислород,
инактивируется в темноте. Франк связывает с подобной «внутренней
наркотизацией» почти все, если не все, изменения интенсивности
флуоресценции, наблюдающиеся в случае лишения пурпурных бактерий
их специфических восстановителей (Н2, H2S2O8 и др.). Он усма-
тривает причину (во всяком случае первичную) усиления флуорес-
ценции при подобной обработке не в торможении первичного фото-
химического процесса отсутствием реагирующих веществ (с соответ-
ствующим возрастанием внутреннего рассеяния и флуоресценции;
см. выше), а в накоплении фотоперекисей, которые в нормальном
процессе фотосинтеза бактерий разрушаются специфическими восста-
новителями, и последующем образовании и осаждении на хлорофилле
поверхностно активных веществ (наркотиков). Этим путем снижаются
скорости как первичного фотохимического процесса, так и внутрен-
него рассеяния, и вероятность осуществления флуоресценции соот-
ветственно увеличивается. Лишение зеленых растений или пурпурных
бактерий СО2 или отравление их цианидами (оба явления дают один
и тот же первичный результат, а именно: уменьшение в снабжении
{СО2} фотохимической системы) меньше влияют на выход флуорес-
ценции, чем недостаток восстановителей; тем не менее вопреки
утверждению Вассинка и его сотрудников подобное влияние несо-
мненно, имеет место (см. гл. XXVII, стр. 361). Здесь опять усиление
флуоресценции можно приписать либо уменьшению скорости первич-
ного фотохимического процесса и соответствующему возрастанию
вероятности внутреннего рассеяния и флуоресценции, либо, как пред-
полагали Франк и его сотрудники, образованию внутреннего «нар-
котика» путем фотоокисления, которое, как известно, имеет место
в тех случаях, когда растения, лишенные СО2, подвергаются облуче-
нию. В анаэробных пурпурных бактериях фотоокисление не наблю-
дается и СО2 меньше влияет на флуоресценцию.
В образовании защитного слоя внутреннего наркотика Франк усма-
тривав т важное предохранительное приспособление растений, развив-
шееся для того, чтобы предотвращать сенсибилизацию хлорофиллом
деструктивных фотохимических реакций в тех случаях, когда, в силу
отсутств ия реагирующих веществ или отравления, поглощенная энергия
не может быть использована для созидательных целей, т. е. для
фотосинтеза.
В то время как теория Франка подчеркивает косвенный механизм
изменений флуоресценции, связанных с фотосинтезом, Вассинк, Катц
и другие используют простые представления о конкуренции между
первичным фотохимическим процессом и флуоресценцией (плюс дис-
сипация). Основываясь на том, что у пурпурных бактерий присутствие
или отсутствие восстановителей влияет на « более сильно, чем при-
сутствие или отсутствие СО2, названные авторы полагают, что в пер-
вичном процессе участвуют возбужденный хлорофилл и образован-
ные энзиматически восстановители, а не СО2 (или комплекс {СО2}).
238
Глава XXIV
Однако можно не сомневаться в том, что простой конкуренции
между флуоресценцией и первичным фотохимическим процессом не-
достаточно для объяснения всех экспериментальных данных, тогда
как представления Франка о непрямом действии успешно прилагались
к широкому ряду явлений и поэтому приобрели значительную степень
вероятности.
Мы ограничимся здесь вышеизложенным и оставим более деталь-
ное рассмотрение и интерпретацию экспериментальных результатов
до четвертой части (гл. XXVII—XXXIII), посвященной кинетике фото-
синтеза. Измерения флуоресценции стали одним из средств изучения
кинетики реакций фотосинтеза, поэтому неудобно отделять рассмо-
трение влияния интенсивности света, температуры или концентрации
СО2 на выход флуоресценции от рассмотрения влияния тех же самых
факторов на выход фотосинтеза.
ЛИТЕРА ТУРА
Флуоресценция пигментов in vivo
1.	Stokes G. G., Trans. Roy. Soc. London, 463 (1852).
2.	Simmler R. T., Ann. Phys. (Poggendorf), 115, 593 (1862).
3.	Askenasy E., Botan. Z., 25, 225 (1867).
4.	Hagenbach A., Ann. Phys. (Poggendorf), 141, 245 (1870).
5.	Lommel E., Ann. Phys. (Poggendorf), 143, 568 (1871).
6.	Hagenbach A., Ann. Phys. (Poggendorf), 146, 508 (1872).
7.	Hagenbach A., Ann. Phys. (Poggendorf), Jubilee Vol., 303 (1874).
8.	Reinke J., Ber. deut. botan. Ges., 1, 395 (1883).
9.	Engelmann Th. W., Arch. ges. Physiol. Pfliigers, 32, 80 (1883).
10.	Reinke J., Ber. deut. botan. Ges., 2, 265 (1884).
11.	Tswett M., Ber. deut. botan. Ges., 29, 744 (1911).
12.	Buder J., Ber. deut. botan. Ges., 31 (80) (1913).
13.	Lehmann H., Z. wiss. Mikroskop., 30, 417 (1914).
14.	Wilschke A., Z. wiss. Mikroskop., 31, 338 (1914).
15.	Gicklhorn J., Sitzber. Akad. Wiss. Wien, Abt. I, 123, 1221 (1914).
16.	Stern K., Ber. deut. botan. Ges., 38, 28 (1920).
17.	Stern K., Z. Botan., 13, 193 (1921).
18.	Lloyd F. E., Science, 58, 91, 229 (1923).
19.	Lloyd F. E., Nature, 112, 132 (1923).
20.	Lloyd F. E., Trans. Roy. Soc. Can. (Ill), 17, 129 (1923).
21.	Lloyd F. E„ Science, 59, 241 (1924).
22.	Noack K., Biochem. Z„ 183, 135 (1927).
23.	Testi Dragone G., Atti reale ace ad. naz. Lincei [ V7], 6, 179 (1927).
24.	Klein G., Linser H., Oesterreichtsche botan. Z., 79, 125 (1930).
25.	Kautsky H., Hirsch A., Naturwissenschaften, 19, 964 (1931).
26.	Dhere C., Fontaine M., Compt. rend. soc. biol., 107, 1098 (1931).
27.	Dhere C., Fontaine M., Ann. inst. oceanogr., 10, 245 (1931).
28.	Bachrach E., Dhere C., Compt. rend. soc. biol., 108, 385 (1931).
29.	Kautsky H., Hirsch A., Davidshofer F., Ber. deut. chem. Ges., 65,1762 (1932).
30.	Kautsky H., Hirsch A., Biochem. Z., 274, 423 (1934).
31.	Kautsky H., Spohn H., там же, 274, 435 (1934).
32.	Fontaine M., Revue algologtque, 7, 189 (1934).
33.	Baas-Becking L. G. M., Koning H. C., Proc. Acad. Set. Amsterdam, 37,
674 (1934).
Флуоресценция пигментов in vivo
239
34.	Franck J.. Levi H., Z. phys. Chem., B27, 409 (1934).
35.	Kautsky H., Hirsch A., Biochem. Z„ 277, 250 (1935).
36.	Kautsky H., Hirsch A., Biochem. Z„ 278, 373 (1935).
37.	Dhere C., Raffy A., Bull. soc. chim. biol., 17, 1385 (1935).
38.	Dhere C., Raffy A., Compt. rend., 200, 1146 (1935).
39.	Dhere C., Raffy A., Compt. rend. soc. biol., 119, 232 (1935).
40.	Kautsky H., Marx A., Naturwissenschaften, 24, 317 (1936).
41.	Kautsky H., Flesch W., Biochem. Z„ 284, 412 (1936).
42.	Dhere C., Biermacher O., Compt. rend., 203, 412 (1936).
43.	Biermacher O., Thesis, Univ. Fribourg (Switzerland), 1936.
44.	Kautsky H., Hormuth R., Naturwissenschaften, 24, 658 (1936).
45.	Franck J., Wood R. W., J. chem. Phys., 4, 551 (1936).
46.	Kautsky H., Marx A., Biochem. Z., 290, 248 (1937).
47.	Kautsky H., Hormuth R., Biochem. Z., 291, 285 (1937).
48.	Dhere C., La fluorescence en blochimie, Paris, 1937.
49.	Metzner P., -Lecture before Botanical Society Darmstadt, quoted from Frey-
Wyssling, Submikroskopische Morphologie des Protoplasmas, 1938.
50.	Vermeulen D., Wassink E. C., Reman G. H., Enzymologia, 4, 254 (1937).
51.	Mecke R., Baldwin W. C. G., Naturwissenschaften, 25, 305 (1937).
52.	Wassink E. C., Vermeulen D„ Reman G. H., Katz E., Enzymologia, 5, 100
(1938).
53.	Ornstein L. S., Wassink E. C., Reman G. H., Vermeulen D., Enzymologia,
5, 100 (1938).
54.	Kautsky H., Eberlein R., Naturwissenschaften, 26, 576 (1938).
55.	Dhere C., Fortschr. Chem. org. Naturstoffe, 2, 301 (1939).
56.	Wassink E. C., Katz E„ Enzymologia, 6, 145 (1939).
57.	Seybold A., Egle K., Botan. Arch., 41, 578 (1940).
58.	McAlister E. D., Myers J., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 99, № 6
(1940).
59.	Kautsky H., Zedlitz W., Naturwissenschaften, 29, 101 (1941).
60.	Franck J., Herzfeld K. F., J. phys. Chem., 45, 978 (1941).
61.	Franck J., French C. S., Puck T. T., там же, 45, 1208 (1941).
62.	Franck J., Am. J. Botany, 29, 314 (1942).
63.	Wassink E. C„ Katz E., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 269 (1942).
64.	Dorrestein R., Wassink E. C., Katz E., Enzymologia, 10, 355 (1942).
65.	Dutton H. J., Manning W. M., Duggar B. M„ J. Phys. Chem., 47, 308(1943).
66.	Kautsky H„ Franck U„ Biochem Z„ 315, 139, 156, 176, 207 (1943).
67.	Wassink E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 11, 282 (1945).
68.	Shiau Y. G., Franck J., Arch. Biochem., 14, 253 (1947).
69.	Kautsky H., Franck U., Nature, 35, 43, 74 (1948).
70.	Van Norman R. W., French C. S., Macdowall F. D. H., Plant Physiol., 23,
455 (1948).
71.	Franck J., The Relation of Fluorescence in Plants to Photosynthesis, cm.
Photosynthesis in Plants, Iowa State College Press, Ames, 1949, p. 293.
72.	Katz E., Chlorophyll Fluorescence as Energy Flow Meter In Photosynthesis,
там же, p. 287.
73.	Arnold W., Oppenheimer J. R., J. gener. Physiol., 33, 423 (1950).
74.	French C. S., Koski V. M., Proc. Soc. Exptl. Biol., 1951 (в печати).
75.	Duysens L. N. M., Nature, 1951 (в печати).
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
КИНЕТИКА ФОТОСИНТЕЗА
ВВЕДЕНИЕ
Исследование кинетики реакций, т. е. зависимости их скорости
от различных внешних условий, приобрело при изучении фотосинтеза
гораздо большее значение, чем при изучении других биохимических
процессов. Многие исследователи, столкнувшись с неудачей при по-
пытках разобраться в сложном механизме фотосинтеза при помощи
обычных качественных биохимических методов, обратились к изме-
рению его скорости, в надежде, что, может быть, таким путем будет
возможно установить число, последовательность и характер отдель-
ных процессов, участвующих в фотосинтезе. По причинам, которые
нетрудно понять, полученные результаты не вполне оправдали эти
надежды. Получаемый путем измерений «общий выход фотосинтеза»
представляет собой суммарный результат действия сложного меха-
низма, и все влияющие на этот выход факторы нельзя учесть при
помощи какого-либо простого кинетического уравнения. Сравнительно
легко, на основании ряда кинетических измерений на каком-либо
выбранном объекте, придумать модель, объясняющую эти частные
наблюдения, и даже написать уравнения, более или менее точно согла-
сующиеся с экспериментальными данными. Литература по фотосин-
тезу изобилует такими решениями. Их ограниченность явствует
хотя бы из того, что практически ни один автор не применяет урав-
нений, выведенных другими; каждый исследователь начинает все
заново, часто даже не ссылаясь на своих предшественников и, что
еще хуже, не пытаясь даже согласовать свои формулы с экспери-
ментальными данными других исследователей.
Фотосинтез представляет собой настолько сложный и гетероген-
ный процесс, что путем простого измерения скорости общего про-
цесса в целом при различных условиях вряд ли возможно проанали-
зировать его механизм. Это, однако, не значит, что кинетические
измерения в фотосинтезе бесполезны; наоборот, они очень полезны
Введение
241
при сочетании их с другими биохимическими и биофизическими мето-
дами исследования, такими, как применение ядов и наркотиков, вве-
дение замещающих восстановителей и окислителей или разделение
фотосинтетического аппарата на части (например, путем отделения
хлоропластов от цитоплазмы). Многие исследователи в дополнение
к химическим измерениям скорости и в качестве вспомогательного
физического средства уже использовали измерения интенсивности
флуоресценции хлорофилла. Весьма вероятно, что таким же образом
можно использовать спектры поглощения и флуоресценции, радио-
химические и, возможно, также электрохимические измерения, чтобы
получить данные, характеризующие состояние фотосинтетического
аппарата во время фотосинтеза. При таком всестороннем изучении
кинетические измерения будут составлять важнейшую часть исследо-
вания, однако мы не будем претендовать получить только при помощи
их одних количественное истолкование всего явления фотосинтеза и
используем их в более ограниченных целях.
16 Зак. 4040. Е. Рабинович
Глава XXV
МЕТОДЫ КИНЕТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Мы не ставим себе целью дать подробное описание и оценку
всех экспериментальных методов, применяемых при количественном
изучении фотосинтеза, и укажем лишь на принципы, на которых эти
измерения были или могут быть основаны.
При фотосинтезе зеленых растений потребляются двуокись угле-
рода, вода и свет и производятся кислород, углеводы и химическая
энергия. Таким образом, мы имеем шесть возможных объектов коли-
чественного исследования. Однако один из участников реакции, вода,
находится в живых организмах в таком изобилии, что определить
его потребление практически невозможно (если не считать возможного
применения изотопных индикаторов). С другой стороны, при фото-
синтезе бактерий и адаптированных водорослей (см. т. I, гл. V и VI)
потребление восстановителя (Н2, H2S, H2S2O8 и т. д.) может быть
измерено так же легко, как и потребление окислителя (СО2).
Объекты исследования
Со времени классических исследований Варбурга [27, 28] из-
любленным объектом для количественных исследований фотосинтеза
стали одноклеточные водоросли, особенно два вида Chlorella (Chi.
vulgaris и Chi. pyrenoidosa'), благодаря легкости их культуры и воз-
можности применять их в виде водной суспензии.
Мы не можем здесь подробно обсуждать способы культуры
Chlorella и других водорослей и сошлемся в этом отношении на
специальные работы, например Кюстера [30[, Прингсгейма [37, 41],
Пирсолла с сотрудниками [66, 83] и Майерса с сотрудниками [101,
102, 107]. Одно наблюдение, однако, должно быть отмечено. Было
обнаружено [84, 85, 94, 97, 103, 104], что растущие культуры Chlo-
rella производят вещество, действующее как ингибитор дальнейшего
их роста, а иногда как ингибитор фотосинтеза (см. гл. XXVI, стр. 294).
Суспензии Chlorella применялись в исследованиях Варбурга и его
школы и Ноддака с сотрудниками в Германии, а также в исследо-
ваниях Эмерсона. Франка, Гаффрона, Даниельса, Мэннинга и их со-
трудников в Америке. Эти водоросли представляют собой зеленые
одноклеточные организмы, примерно сферической формы, диаметром
около 5р, содержащие один колоколообразный хлоропласт, который
Методы кинетических измерений
243
окружает почти всю центральную часть клетки с ядром. Содержание
в них хлорофилла необычайно велико: от 2,5 до 5% сухого веса.
Наивысшие концентрации наблюдаются в клетках, выросших при
слабом свете. В табл. 36 приведены в качестве примера характери-
стики двух суспензий Chlorella pyrenoidosa, применявшихся Нод-
даком и Эйхгофом: одной — росшей при слабом свете, другой — при
сильном.
Таблица 36
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХ СУСПЕНЗИЙ CHLORELLA PYRENOIDOSA
(по Ноддаку и Эйхгофу [78])
Тип суспензий	Число клеток В 1 МЛ	Сухой вес, г/мл	Хлорофилл		Максимальный фото- синтез, О2 смУмин 9	
			°/0 от сухого веса	ЧИСЛО молекул на 1 клетку	на 1 см9 клеток	на 1 г хлоро- филла 2)
Теневая 		1,92-106	4,6 • 1(Г5	4,9	8-Ю8	4,9  10~5	22
Световая ....	3,84  106	5,1 -10“ 5	2,7	2,5 • 108	5,4- КГ5	4 39
9 Максимальный фотосинтез, получающийся при освещенности 30 000 лк (белый свет) в рас-
творе карбонат-бикарбонатного буфера.
8) Ассимиляционное число.
Из таблицы видно, что теневые клетки в 2 раза крупнее световых
и содержат почти вдвое больше хлорофилла (в процентах от сухого
веса клеток). Это означает, что на одну клетку приходится в 3—4
раза больше молекул хлорофилла. Несмотря на более низкое содержа-
ние хлорофилла, световые клетки способны производить столько же
кислорода на 1 см? клеточного материала, сколько и теневые клетки,
так что образование кислорода на единицу веса хлорофилла (ассими-
ляционное число, см. гл. XXVIII) получается у них почти вдвое боль-
ше, чем у теневых клеток.
Сэрджент [86] нашел, что световые клетки Chlorella содержат
хлорофилл в количестве 3,3% сухого веса, а теневые — 6,6%. Ре-
зультаты, полученные Майерсом 1107), согласуются с данными Нод-
дака и Эйхгофа и с данными Сарджента в отношении более высокой
концентрации хлорофилла в клетках, росших при слабом свете, но
расходятся с данными Ноддака и Эйхгофа там, где дело касается
количественного определения зеленого пигмента в отдельной клетке.
В культурах Майерса при усилении интенсивности света средний
объем клеток скорее увеличивался, чем уменьшался (от 28 • 109 кле-
ток на 1 мл при 64 лк до 6 . 10® на 1 мл при 3 875 лк). Увеличение
объема клеток почти точно уравновешивало уменьшение концен-
трации клеточного пигмента, так что общее число молекул хлоро-
филла, приходящееся на одну клетку, оставалось практически посто-
янным и не зависимым от интенсивности освещения.
16*
244
Глава XXV
Максимальный фотосинтез в культурах Майерса (рассчитанный
на 1 см3 клеточного материала) быстро увеличивался при увеличении
интенсивности освещения во время культивирования от 54 до 270 лк,
оставался постоянным между 270 и 645 лк и затем снижался. Так
как в то же время концентрация хлорофилла убывала неуклонно, то
ассимиляционное число (максимальный фотосинтез на 1 г хлорофилла)
сперва быстро увеличивалось, в согласии с наблюдениями Ноддака и
Эйхгофа, а затем становилось постоянным (более подробное обсу-
ждение отношения между скоростью фотосинтеза и содержанием
хлорофилла см. в гл. XXXI).
Суспензии, подобные приведенным в табл. 36, при помещении их
в сосуды глубиной 1—3 см поглощают 20—50% падающего света.
Если желают достичь полного поглощения видимого света (как в опы-
тах Варбурга и Негелейна), то следует применять суспензии, содер-
жащие при той же глубине сосудов более 107 клеток в 1 мл.
Интенсивность фотосинтеза у суспензий Chlorella изучалась в от-
ношении многих факторов, таких, например, как интенсивность света
(Варбург), скорость газового снабжения во время роста (Бёрк) или
олигодинамическое действие малых количеств редких элементов (см.
Эмерсон и Льюис [80]). Однако некоторые исследования по кванто-
вому выходу фотосинтеза (см. гл. XXIX) показывают, что эти усло-
вия способны оказывать влияние на газовый обмен большей частью
лишь в первые минуты действия света и мало влияют на постоянную
скорость фотосинтеза (см. табл. 36).
По данным Эмерсона и Грина [67], фотосинтез у Chlorella не
чувствителен к широким колебаниям pH (т. I, стр. 348); поэтому
исследование этих водорослей можно проводить как в кислых, так
и в щелочных растворах (относительно различия между квантовыми
выходами у Chlorella в кислых и щелочных буферных растворах
см. стр. 543). Пратт [97] обнаружил, что в 0,1А1 растворе NaHCO3
скорость фотосинтеза у Chlorella на сильном свету через 9 час.
снижается до 40% своей первоначальной величины и остается за-
тем на этом уровне, тогда как в 0,1А1 растворе КНСО3 в тече-
ние 6 час. происходит увеличение скорости (примерно на 30%),
после чего несколько часов подряд выделение кислорода идет равно-
мерно, а затем наступает быстрое падение скорости фотосинтеза.
В смеси растворов О,О357И КНСО3 и О,О657И NaHCOs скорость
фотосинтеза остается неизменной примерно в течение 15 час., после
чего стимулирующее действие калиевой соли, очевидно, прекра-
щается и скорость быстро падает (фиг. 126). Во всех этих опытах
клетки находились примерно половину всего времени на свету и по-
ловину— в темноте.
Из других водорослей при количественных исследованиях фото-
синтеза применялись: зеленые водоросли — Scenedesmus [93], Ног-
midiiim flaccidum [44, 48], Stichococcas bacillaris [73]; красная
водоросль—Gigartina harveyana [55]; сине-зеленая водоросль —
Методы кинетических измерений
245
Chroococcus [92]; бурая водоросль — Fucus serraius [95] и диатомо-
вые водоросли — Nitzschia closterium [57, 91], N. dissipata [106] и
Navicula minima [115].
До некоторой степени теми же преимуществами, что и водоросли,
обладают в качестве объектов для фотосинтетических измерений
также и высшие водяные растения (речь идет главным образом об удоб-
ном использовании манометрических методов). Среди высших водя-
ных растений особенно популярной при исследовании фотосинтеза
Фиг. 126. Скорость фотосинтеза у Chlorella vulga-
ris как функция продолжительности экспозиции
клеток в 0,144 растворах КНСО3, NaHCO3 или в раз-
личных смесях обоих бикарбонатов [97].
I-0.141 КНСО3; II—0,0541 КНС03+0,0541 NaHCO,; III—0,04241
КНСО3+0,05841 NaHCO3; IV— 0,03541 КНСО3+0,06541 NaHCO3;
V—0,02541 КНСОа+0,07541 NaHCO3; VI—0,141 NaHCO3.
стала Elodea благодаря ее широкому распространению в стоячих
водах. Для тех же целей применялись также Cabotnba caroliniana [62]
и Potomageton [63].
Срезанные листья служили объектом в большинстве ранних ис-
следований по фотосинтезу. Однако вследствие нарушения нормаль-
ного процесса оттока веществ ход фотосинтеза в срезанных листьях
может отличаться от хода фотосинтеза в таких же листьях, не отде-
ленных от стебля (см. т. I, стр. 338).
Целые наземные растения, заключенные в стеклянные сосуды,
долгое время применялись при исследованиях скорости фотосинтеза
в полевых условиях. Группа работников Смитсоновского института
в Вашингтоне [52, 61] показала, что этот метод может дать резуль-
таты, равноценные по точности и постоянству тем, которые полу-
чаются в опытах с водорослями. Объектом их исследований служили
отдельные молодые растения пшеницы.
246
Глава XXV
Культуры пурпурных бактерий, которые можно использовать для
изучения бактериального фотосинтеза, были описаны в ряде работ
[46, 53, 56, 60, 65, 72, 96, 100]. В числе таких бактерий приме-
нялись Rhodospirillum rubrum, Streptococcus varians и штаммы Chro-
matium и Rhodovibrio.
Измерения света
Во многих ранних работах влияние интенсивности света на фото-
синтез изучалось путем освещения растений «белым светом» (солнца
или ламп накаливания) с введением серых фильтров или изменением
расстояния между источником света и растением. Интенсивность
выражалась в относительных единицах, например «1/10 полного сол-
нечного света» или «лампа на расстоянии 30 см». Другие исследо-
ватели определяли интенсивность освещения визуальным сравнением
со стандартным источником света и выражали ее в метр-свечах, на-
зываемых также люксами, или люменами на квадратный метр, или
в фут-свечах (1 фут-свеча = 10,764 метр-свечи). Эти цифры не
могут служить для вычисления падающей энергии, за исключением
тех случаев, когда известно спектральное распределение света. Зна-
ние так называемой цветовой температуры источника света (темпера-
туры, которую должно иметь черное тело, чтобы дать излучение
того же цвета) помогает получить некоторые дополнительные сведе-
ния. Однако следует учесть, что ни один источник света не пред-
ставляет собой черного тела, и даже если бы он и был таковым,
спектральное распределение света, даваемое им, изменяется при про-
хождении света через воздух, стекло или другие материальные среды.
Поэтому приводимые ниже численные данные можно использовать
только для приближенных вычислений.
Максимальная освещенность от прямого солнечного света летом
в полдень (на уровне моря и 42° с. ш.) равна примерно 85 000 лк,
ее цветовая температура — примерно 5 400° К [90]. При этих усло-
виях средний световой поток равен 2,0 • 10~2 кал[см2 • сек, или
8,5 • 105 эрг'см2  сек (включая инфракрасное излучение), или
10 эрг'см2  сек  лк. Диффузный свет от ясного голубого неба уве-
личивает освещенность Примерно на 21000 лк. Свет неба имеет
гораздо более высокую цветовую температуру, чем солнечный свет:
свыше 10 000° К для ясного голубого неба и 7 000° К для слегка
подёрнутого или закрытого облаками неба (см. фиг. 101). На уровне
моря, когда солнце в зените, около 40% падающего излучения при-
надлежит к спектральной области Х< 700 жи (фотосинтетически
активное излучение) и около 60% — к области X > 700 мр (фото-
синтетически неактивное, крайнее красное и инфракрасное излуче-
ние). Таким образом, на солнечном свету 1 лк эквивалентен
4 эрг’см2 • сек фотосинтетически активного света.
Методы кинетических измерений
247
Характеристики газонаполненных ламп накаливания с вольфрамо-
вой нитью (табл. 37) взяты из книги Харди и Перрина «Основы
оптики» [47].
Около ЗО°/о света этих ламп в области X < 760 мр принадлежит
к области 700—760 мр. Этот свет почти совсем не используется
зелеными растениями, так что на долю фотосинтетически активной
энергии в лампах средней мощности (100—200 вт) приходится
только 7—8%, а в лампах большой мощности (500—1 000 вт) —
9—Ю%. Другими словами, освещенность в 1 лк от 100-ваттной
лампы соответствует примерно 5,0 эрг'см?  сек, а такая же осве-
щенность от 500-ваттной лампы — примерно 4,5 эрг jсм? • сек фото-
синтетически активного света.
Таблица 37
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
Ватты	Цветовая температура, °К	эрг[см**сек*лк (включая инфракрасные лучи)	Доля энергии		
			X < 760 лер.	X	> 760 лер.
100	2 740	72	0,100		0.900
200	2810	66	0,111		0,898
500	2 920	55	0,122		0,878
1000	2980	50	0,135		0,865
Белые люминесцентные лампы испускают в виде видимого света
около 18,5% потребленной энергии. Их яркость соответствует
6—10 лк!см?, а максимумы интенсивности (см. Бэрр [114]) находятся
при 480 мр у «сине-белых», при 490 и 585 мр у «стандартных
холодно-белых», при 585 мр у «стандартных тепло-белых», при
520 и 640 мр у «делюкс холодно-белых» и при 530 и 620 мр
у «делюкс тепло-белых». Оба типа «холодно-белых» ламп испускают
мало энергии в области А > 650 мр; оба типа «тепло-белых» испу-
скают мало энергии в области Х<500 мр.
Квант видимого света равен от 5 • 10~12' до 2,5 • 10~12 эрг.
В солнечном свете максимум интенсивности лежит примерно при
575 мр, соответствуя Av = 3,5 • 10~t2 эрг. Таким образом, освещен-
ность от солнца в 1 лк соответствует 1,2-10~12 квантов, или
2,0 . 10-12 эйнштейнием?  сек фотосинтетически активного света.
У искусственного света А находится гораздо ближе к красному
концу спектра. Если принять для этого света Av = 3,2 • 10-12 эрг,
то 1 лк станет соответствовать 1,4 • 1012 квантов, или 2,3 • 10-12
эйнштейнием?  сек фотосинтетически активного света.
На прямом солнечном свету в полдень на 1 см2 горизонтальной
поверхности падает около 1011 квантов видимого света в 1 сек.
Находящаяся на такой поверхности молекула пигмента, средний
248
Глава XXV
коэффициент молярного поглощения которого для видимого света
равен примерно 3 • 10*, поглощает около 12 квантов в 1 сек.
Частота актов поглощения для молекулы с молярным коэффициен-
том поглощения а определяется формулой
л = 4- 10-2iaVh„	(25.1)
где Nh4 представляет световой поток в квантах на 1 сл2 в 1 сек.
Вместо приведенного выше вычисления потока энергии и числа
квантов, падающих на освещенную поверхность, из интенсивности
освещения в люксах, конечно, гораздо лучше измерить этот поток
непосредственно при помощи термоэлемента, болометра, фотоэлемента
или актинометра. Это является также единственным способом опре-
деления интенсивности окрашенного света, который не может быть
измерен в люксах. Поток энергии можно выразить в эргах или кало-
риях (на единицу площади и в единицу времени) или в ваттах (на
единицу площади). Соотношение между этими единицами показано
в табл. 38,
Таблица 38
ЕДИНИЦА ПОТОКА ЭНЕРГИИ
Единица измерения	вт'см2	эрг/см,'Сек	кал/см’-сек]
вт[см2	 эрг/см2 • сек . . . кал]см2 • сек . .	1 10-7 4,19	107 1 4,19 • 107	0,239 2,39 • 10-8 1
Однако без знания спектрального состава определение потока
энергии в эргах или калориях, в сущности, даже менее показательно,
чем обозначение интенсивности освещения в люксах, потому что
60% прямого солнечного света и около 95% потока энергии ламп
накаливания принадлежат крайнему красному и инфракрасному из-
лучению и не используются растением при фотосинтезе. Таким об-
разом, если только относительное количество этих излучений неиз-
вестно, расчет потока энергии может легко привести к совершенно
ошибочному представлению о количестве света, доступного для фото-
синтеза.
Из обычных фотометрических приборов только термоэлементы и
болометры реагируют равномерно на излучение всех длин волн. Все дру-
гие приборы — вакуумные фотоэлементы, фотоэлементы с запирающим
слоем, актинометры — обладают избирательной спектральной чувстви-
тельностью. Некоторые исследователи, для того чтобы избежать одно-
временного измерения инфракрасного и видимого излучений при из-
мерении интенсивности света в работах по фотосинтезу, предлагают
применять вместо термостолбиков и болометров приборы, не чувстви-
Методы кинетических измерений
249
тельные к инфракрасным лучам, например селеновые фотоэлементы
с запирающим слоем. Однако это почти равносильно возвращению
к визуальной фотометрии, так как глаз также можно рассматривать,
как фотометр, не чувствительный к инфракрасным лучам. Действи-
тельно, кривая чувствительности селенового фотоэлемента с запи-
рающим слоем совершенно аналогична таковой для человеческого
Фиг. 127. Кривые спектральной чувствительности.
А.. Селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Б. Три типитиых
вакуумных фотоэлемента: I—G. Е. 1у 405 (Na); II—G. Е. Pj 22 (Св);
ZZZ-R. С. А. 910.
глаза. Обе кривые быстро падают в области А > 600 мр, т. е. как
раз в середине главной красной полосы поглощения хлорофилла
(фиг. 127, А). Вакуумные типы фотоэлементов также показывают
большое разнообразие чувствительности в отношении длины волны
(фиг. 127, Б). Никакие фотоэлементы, актинометры или фотографи-
ческие пластинки не обладают равномерной чувствительностью по
250
Г лая a XXV
всему видимому спектру, хотя некоторые из них довольно постоянны
в области коротких волн. Поэтому ни один тип этих приборов не
может дать надежных фотометрических данных в немонохроматиче-
ском свете (см. Местр [58]).
Варбург и Шокен [111], основываясь на прежних наблюдениях
Гаффрона в лаборатории Варбурга над светочувствительным само-
окислением аллилтиомочевины (см. гл. XVIII, стр. 515), предложили
новую модель актинометра. Аллилтиомочевина в качестве окисляе-
мого субстрата была ими заменена тиомочевиной, а ацетон в каче-
стве растворителя — пиридином. Было найдено, что с этилхлорофил-
лидом (или протопорфирином) в качестве сенсибилизатора можно
получить в значительном диапазоне длин волн и интенсивностей
квантовый выход (число потребленных молекул кислорода на каж-
дый поглощенный квант), равный 1,0 ±0,1. Удобство этого актино-
метра заключается в возможности применения его в манометрической
системе в сочетании с реакционными сосудами Варбурга. Принимая
равным поглощение света в реакционном сосуде и в сосуде акти-
нометра и расположив оба сосуда так, чтобы до них доходили оди-
наковые световые потоки (например, поместив их рядом в однород-
ном световом поле или чередуя их в одном и том же положении),
можно определять квантовый выход просто путем сравнения измене-
ний давления в обоих сосудах. Таким способом определять средние
квантовые выходы в течение продолжительных периодов освещения
или при освещении диффузным светом гораздо легче, чем при по-
мощи приборов, измеряющих интенсивности света лишь за короткий
промежуток и требующих коллимации лучей. Этот актинометр обе-
щает стать при изучении фотосинтеза весьма полезным прибором.
Однако, несмотря на его удобства, его также следует применять
с осторожностью, и он должен время от времени выверяться по
таким физическим светоизмерительным приборам, как термостолбик
или болометр. Природа и механизм реакции в актинометре Варбурга —
Гаффрона—Шокена пока неизвестны и точная зависимость ее скоро-
сти от интенсивности света, длины волны, природы растворителя,
присутствия загрязнений, давления кислорода, концентрации вос-
становителя и сенсибилизатора и скорости размешивания требует
дальнейших исследований. Произведенные измерения показывают,
что квантовый выход медленно падает при увеличении освещенности
в «среднем диапазоне» (от 3 до 7 • 10-10 эйнштейн см2 • сек); более
быстрые изменения происходят как при более высоких интенсивно-
стях света (> 10 • 10-10 эйнштейнием2  сек), так и при очень низ-
ких интенсивностях (< 3 • 1О-10 эйнштейнием2 • сек). Остается, однако,
еще не выясненным, является ли фактором, обусловливающим это
изменение, интенсивность лучей, т. е. энергия на единицу попереч-
ного сечения, или их энергия (вероятнее всего, энергия, поглощен-
ная единицей объема жидкости). Некоторое снижение квантового
выхода при увеличении освещенности может получаться в результате
Методы кинетических измерений
251
израсходования кислорода в освещенном слое; однако этим, вероятно,
можно объяснить только часть наблюдаемого снижения. Другой воз-
можной его причиной является конкуренция обратных реакций между
промежуточными продуктами окисления и восстановления и «идущей
вперед» реакцией, приводящей к потреблению кислорода. Если эти
обратные реакции бимолекулярны в отношении промежуточных продук-
тов, то более высокие концентрации последних будут им благоприят-
ствовать, и поэтому обратные реакции могут стать более эффектив-
ными при увеличении интенсивности света.
Следует напомнить, что на фотометры с избирательной спектраль-
ной чувствительностью нельзя полагаться не только в случае опре-
деления абсолютных интенсивностей света, но также и при сравнении
двух источников света или при определении количества света, по-
глощенного при прохождении через окрашенную систему. Если
только поглощение не является очень слабым по всему спектру,
спектральный состав прошедшего света будет отличаться от спек-
трального состава падающего света и прибор с избирательной чув-
ствительностью будет реагировать неодинаково в отношении этих
двух потоков. Он будет стремиться преувеличивать поглощение, если
последнее происходит в области максимальной чувствительности, и
преуменьшать его, если оно происходит в области низкой чувстви-
тельности. Чем круче кривая спектральной чувствительности, тем
больше будут ошибки при измерениях поглощения в немонохромати-
ческом свете. Например, селеновые фотоэлементы с запирающим
слоем нельзя применять для таких измерений даже в «монохромати-
ческом» красном свете, выделенном при помощи светофильтров (или
монохроматоров с широкой щелью), так как их чувствительность
между 600 и 700 мр падает в 10 раз (см. фиг. 127, А).
По всем этим причинам, когда для работы по фотосинтезу при-
меняется белый свет, наилучшим способом характеристики интенсив-
ности этого света будет измерение его при помощи термостолбика,
защищенного от инфракрасных лучей подходящим светофильтром.
Это дает достаточное представление о количестве света, доступного
для фотосинтеза, и позволяет правильно определить ту часть этого
света, которая поглощается растениями.
Желание иметь более высокую чувствительность часто вынуждает
исследователя применять фотоэлемент вместо термостолбика, не-
смотря на все недостатки первого, связанные с его избирательной
чувствительностью; это следует делать, только вполне осознавая те
ошибки, которые при этом могут возникнуть. Только в работах
с действительно монохроматическим светом фотоэлементы совершенно
надежны (при условии, что прямолинейность их реакции проверяется
частым сравнением с термоэлементом).
К проблеме надежности фотометрического прибора добавляется
еще одна трудность в определении количества света, поглощен-
ного листьями, водорослями или клеточными суспензиями, а именно:
252
Глава XXV
трудность, связанная с явлениями рассеяния света, обсуждавшимися
в гл. XXII.
Рассеяние света клеточными суспензиями сравнительно мало,
а у листьев может быть уменьшено инфильтрацией их водой или,
еще лучше, глицерином (путем эвакуирования под жидкостью), что
устраняет главный источник рассеяния, а именно, границы раздела
жидкость — воздух (см. фиг. 55 и 56). Однако фиг. 49 показывает, что
даже в суспензиях Chlorella имеется довольно сильное рассеяние, вы-
зывающее заметную ошибку при определении энергии поглощенного
света,— ошибку, не превышающую нескольких процентов в области
сильного поглощения, но достигающую 1ОО°/о и больше в зеленой или
крайней красной части спектра, где настоящее поглощение весьма мало.
При измерениях в этих спектральных областях, а также при точ-
ных опытах в других частях спектра необходимо измерять весь рас-
сеянный поток, т. е. диффузно прошедший и диффузно отраженный
потоки Td и Rd вместе с прямо прошедшим и зеркально отраженным
потоками Та и Rs, и применять полную формулу для определения
поглощенной энергии света А:
A = IQ—Tg-Td—Rs-Rd=IQ-S. (25.2)
Пренебрежение как Td, так и Rd при определении А должно при-
вести к совершенно ошибочным результатам, так как для всех листьев
и слоевищ Та является только долей — и часто очень малой — всего
прошедшего потока.
Тот факт, что оптическая работа с листьями требует учета рас-
сеяния, был ясен Макенну [1] и Зиммлеру [2]; однако некоторые
исследователи — и не только ботаники, как Сакс [3] и Детлефсен [13],
но и физики, как Фирордт [4] и Лазарев [36, 43], — считали, что
они могут им пренебречь. Тем не менее в большинстве случаев при изме-
рениях делалась попытка учесть, по крайней мере, диффузно прошед-
ший свет Td путем простого приспособления, заключающегося в по-
мещении большой собирающей поверхности непосредственно позади
поглощающей системы. Зейбольд [49, 50] указывал, что этот способ
вносит риск измерения термического излучения ткани вместе с про-
шедшим потоком. Подобная же ошибка может быть вызвана флуо-
ресценцией, которой, однако, обычно можно пренебречь. Во избежа-
ние ошибок между листом и собирающим термостолбиком можно
вставить поглощающий инфракрасные лучи фильтр.
Измерение диффузно отраженного потока Rd требует более слож-
ных приспособлений, и им часто пренебрегают. Получающаяся отсюда
ошибка при определении интенсивности поглощения может быть очень
значительной, так как листья наземных растений отражают примерно
столько же или даже больше света, сколько и пропускают: именно,
от 10 до 15°/0 белого света, не содержащего инфракрасных лучей
(см. стр. 90). Погруженные водоросли или листья, наполненные
водой, имеют более слабую отражательную способность; они пропу-
Методы, кинетических измерений
253
скают около 2О°/о и отражают 5—Ю°/о белого света. Однако совер-
шенно игнорировать диффузное отражение нельзя, даже работая
с суспензиями водорослей, как это показывают данные Ноддака и
Эйхгофа [78], приведенные на фиг. 49. Резко выраженный максимум
отражения при 180° обусловливается стенками сосуда; но в дополне-
ние к этому зеркальному отражению на фигуре видно небольшое, но
вполне учитываемое диффузное отражение, прибавляющее к прошед-
шему потоку в общем, под всеми углами, 3 или 5°/0 и в соответствии
с этим сокращающее поглощенную энергию А.
При работах с клеточными суспензиями в сферических или цилин-
дрических сосудах делать различие между отраженным и прошедшим
светом нецелесообразно, и отдельные измерения 7? и Т могут
быть заменены интегральным измерением света, рассеянного по всем
направлениям, S. Небольшой сосуд, содержащий суспензию, может
быть помещен внутри «интегральной» камеры или в фокусе зеркала
и освещен узким лучом света, входящим через отверстие в зеркале;
свет, рассеянный по всем направлениям, может быть таким образом
собран и измерен. Для определения I суспензионная камера может
быть заменена «белым» рассеивателем. Приспособлением подобного
типа был эллипсоидальный фотометр Ноддака и Эйхгофа [78], в ко-
тором свет, рассеянный небольшой камерой, собирался на термостол-
бике, чувствительном к свету, падающему со всех сторон. Рассеи-
ватель был помещен в одном фокусе эллипсоидального зеркала,
а коллектор — в другом.
Говоря о методах определения световой энергии, поглощаемой
клеточными суспензиями, мы должны упомянуть также о методе пол-
ного поглощения Варбурга и Негелейна [32, 33]. Эти авторы приме-
нили очень концентрированную суспензию Chlorella', сосуд имел по-
серебренную заднюю стенку, и свет совсем не проходил. Отсутствие
диффузно отраженного света устанавливалось путем опыта; надежность
этих последних данных оспаривалась Местром [58], и его критика
подтверждается упомянутыми выше результатами Ноддака и Эйхгофа.
Таким образом, Варбург и Негелейн просто приняли А = I.
На стр. 82 упоминалось, что при работе с растворами необхо-
димость определения R обычно устраняется путем применения контроль-
ной (пустой) камеры, отражение которой принимается равным отра-
жению камеры с раствором. Многие авторы надеялись подобным же
образом избежать необходимости измерения Rd для листьев или слое-
вищ, применяя в качестве «контроля» растительные ткани, лишенные
пигментов. Эта идея осуществлялась различными способами: Рейнке [8]
применял слоевища водорослей, из которых пигмент экстрагировался
спиртом; Линсбауэр [17], Браун и Эскомб [18], Зейбольд [49—51, 54]
и Мейер [79] сравнивали пропускание зеленых и белых частей пе-
стрых листьев; Вюрмзер [31] определял пропускание у слоевищ до и
после их обесцвечивания путем продолжительного освещения. Одна-
ко истолкование полученных таким путем результатов представляет
254
Глава XXV
значительные трудности. На стр. 82 уже говорилось, что формула
(22.2<5) даже в работах с прозрачными средами является только при-
ближением, хотя и удовлетворительным. Вейгерт [20], полагая, что
это уравнение может быть использовано как таковое и для листьев,
применил его к данным Брауна и Эскомба; однако его вычисления
привели к абсурдно низким значениям А, ошибочность которых была
указана Вильштеттером и Штолем [22] и Варбургом [39].
Во всех точных опытах по поглощению света растениями нельзя
избежать измерения трех величин: I, Т и R. Определение Т и R
можно осуществить либо при помощи интегральных приборов, соби-
рающих отраженный и прошедший свет, либо при помощи диффе-
ренциальных «гониофотометрических» методов, т. е. путем определе-
ния рассеяния как функции угла между падающим и рассеянным
пучком.
Измерение выделения кислорода
Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, может быть определен
и измерен при помощи различных химических и физико-химических
методов либо в жидкой фазе, содержащей водяные растения, либо
в газообразной фазе. Вследствие малой растворимости кислорода
в воде методы первого рода (например, потенциометрическое опре-
деление концентрации кислорода в растворе) пригодны для измерения
только слабых эффектов, например для наблюдения фотосинтетической
активности в первые минуты освещения (см. гл. XXXIII).
Мы не можем касаться здесь аналитической техники определения
кислорода. Из реагентов, применяемых для этих целей, можно назвать
белый фосфор, органические поглотители кислорода (такие, как пиро-
галлол или лейкосоединения красителей), медь, гипосульфит натрия
и хлористый хром. Для растворов самым распространенным является,
повидимому, метод Винклера; в нем кислород используется для осво-
бождения эквивалентного количества хлора (через промежуточную
систему двухлористый марганец — треххлористый марганец), который
легко может быть определен путем титрования иодистым калием и
тиосульфатом. Если для определения кислорода применяются пиро-
галлол или лейкосоединения красителей (белое индиго, лейкометиле-
новый синий), процесс освобождения кислорода может быть прослежен
колориметрически или спектрофотометрически. Подобная же методика
применима при превращении гемоглобина в оксигемоглобин; такой
метод определения кислорода был впервые введен при исследовании
фотосинтеза Хоппе-Зейлером [5] и позже использован Хиллом [64, 74].
Для тех же целей Остергаут [23, 24] предложил использовать кровь
краба, содержащую гемоцианин и синеющую в присутствии кислорода.
Два физиологических метода обнаруживания кислорода были пред-
ложены независимо Бейеринком [16] и Зигельманом [6, 9, 14]. В ме-
тоде Бейеринка используется биолюминесценция некоторых бактерий,
например Micrococcus phosphorens, которая становится видимой в при-
Методы кинетических измерений
255
сутствии чрезвычайно малых количеств кислорода (5 • 10-3 мм давле-
ния (?2 над жидкостью или 1 • 10~8 моль!л в воде — по Харвею и
Моррисону [34]). В методе Зигельмана используются подвижные бакте-
рии (например, Proteus vulgaris}, которые становятся неподвижными
в среде, лишенной кислорода, но начинают двигаться в присутствии
следов кислорода. Этот метод подвергся резкой критике со стороны
Прингсгейма [10, 11]; ответ на эту критику см. в статье Зигель-
мана [12]. При помощи подвижных бактерий можно наблюдать под
микроскопом фотосинтетическую активность отдельной клетки. Люми-
несцирующие бактерии применялись, например, при попытках разре-
шить вопрос о выделении кислорода отдельными изолированными
хлоропластами на свету (см. т. I, гл. IV, стр. 66).
Химические и биохимические методы трудно приспособить для
непрерывного наблюдения за скоростью фотосинтеза, поэтому физико-
химические методы давно привлекали внимание исследователей в этом
отношении. В современных количественных исследованиях процессов
метаболизма манометрические измерения приобрели преобладающее
значение. Биохимики нашли, что почти каждая биохимическая реакция
может проводиться таким образом, чтобы происходило поглощение или
выделение газа, и это часто дает наилучший способ для измерения
ее скорости. Реакции гемоглобина с кислородом и окисью углерода
были первыми, для которых этот метод был разработан Холдейном
и Баркрофтом; затем он был применен для изучения дыхания и фото-
синтеза. Со времен Сакса [3] получил известность и широкое рас-
пространение приближенный метод измерения объема выделенного
кислорода путем «подсчета пузырьков». В спокойном растворе с опре-
деленным поверхностным натяжением пузырьки газа, отделяющиеся
от листьев, имеют приблизительно одинаковую величину, так что
скорость образования газа может быть вычислена путем умножения
числа пузырьков, образующихся в единицу времени, на объем оди-
ночного пузырька. Этот метод прост и чувствителен, но явно чреват
ошибками, вызываемыми различием в смачиваемости листовой поверх-
ности, слиянием мелких пузырьков в крупные, влиянием конвекцион-
ных токов или размешивания на размер пузырьков и подобными
осложнениями. Многие авторы [15, 21, 29, 35, 45] старались усовер-
шенствовать этот метод и сделать подсчет пузырьков автоматическим.
Обсуждение этих попыток можно найти в книге Спёра [40]. Важное
возражение против этого метода было выдвинуто Гесснером [63]:
пузырьки постоянного размера могут образовываться только в спо-
койной воде, в которой фотосинтезирующее растение окружается вскоре
слоем воды со щелочной реакцией, с малым содержанием углекислоты
и пересыщенной кислородом, а каждый из этих трех факторов может
сильно влиять на скорость фотосинтеза.
Самым серьезным источником ошибок может, вероятно, служить
явление, изученное Книпом и Миндером [19] и заключающееся в том, что
пузырьки газа, выделяющиеся из срезанных стеблей водяных расте-
256
Глава XXV
ний, содержат не чистый кислород, образовавшийся при фотосинтезе,
а смесь кислорода с воздухом из межклетных пространств. Содержание
азота в пузырьках меняется в зависимости от скорости их образова-
ния. По мере того как воздух при фотосинтезе увлекается из меж-
клетников потоком кислорода, в пузырьки диффундируют из среды
новые количества воздуха, так что даже после продолжительного
освещения пузырьки все еще содержат некоторое количество азота.
Фиг. 128. Аппарат Варбурга для манометрического измерения фотосинтеза.
В 1919 г. Варбургом был введен для исследования фотосинтеза
точный манометрический метод (фиг. 128). Так как на 1 моль выде-
ляемого кислорода потребляется 1 моль двуокиси углерода, мано-
метрический метод может быть использован только тогда, когда по-
требление двуокиси углерода как причина в изменении давления
будет совершенно или частично исключено. Это может быть дости-
гнуто или путем применения большого объема жидкости в соприко-
сновении с малым объемом газа, или при помощи щелочного буфера.
В первом случае сравнительно большая растворимость двуокиси угле-
рода в воде делает возможным использование растениями растворенного
газа в течение продолжительного времени, при медленном понижении
давления двуокиси углерода в газовой фазе. Применение буферов
усиливает стабилизирующее действие водной фазы, хотя и за счет
введения «нефизиологического» pH.
Методы кинетических измерений
257
При использовании манометрической техники для изучения дыхания
можно достичь практически полного устранения двуокиси углерода
(как источника изменений давления) путем химического связывания
этого газа вне клеточной суспензии. С этой целью реакционные со-
суды снабжаются центрально расположенным сосудиком (или боковой
трубкой), содержащим щелочь. Подобный прием нельзя применить
для определения фотосинтеза, так как в этом случае наличие дву-
окиси углерода в суспензии необходимо. С другой стороны, устране-
ние кислорода из газовой фазы (например, путем помещения в боковую
О 1 2 3 4 5см
। । I I I_____I
Фиг. 129. Два сосуда Варбурга с одинаковым
объемом жидкости, но различным объемом
газа [89].
трубку белого фосфора или пирогаллола) и измерение изменений
в давлении, вызванных только одной двуокисью углерода, также не ре-
комендуется, так как скорость фотосинтеза зависит от давления кисло-
рода и часто сильно уменьшается при анаэробных условиях (см. т. I,
гл. XIII, стр. 334). Кроме того, удаление кислорода затрудняет и даже
делает невозможным применение поправки на дыхание, так как в тем-
ноте дыхание совершенно подавляется, а на свету некоторое количе-
ство выделенного при фотосинтезе кислорода вовлекается в цикл
дыхания, прежде чем достичь внешнего адсорбента.
Таким образом, мы вынуждены выбирать одно из двух: или при-
менять клетки, суспендированные в карбонатном буфере, работая при
высоком «нефизиологическом» pH, или пользоваться кислым раство-
ром с нефизиологически высоким содержанием двуокиси углерода,
например фосфатным буфером, находящимся в равновесии с воздухом,
содержащим 1—5% СО2; без такой высокой начальной концентра-
ции запас двуокиси углерода в растворе, лишенном карбоната, будет
на цвету быстро исчерпан.
Для истолкования манометрических данных растворы со щелочным
буфером представляют больше удобств, чем кислые растворы, так как
17 Зак. 40-Ю. Е. Рабинович
258
Глава XXV
все изменения в давлении, наблюдаемые над этими растворами, обу-
словливаются только кислородом.
Обычно применяются смеси 0,1 М растворов бикарбоната натрия
и карбоната калия (т. I, табл. 21). Применение одной соли натрия и
другой — калия имеет, повидимому, некоторое преимущество по
сравнению с применением двух натриевых или двух калиевых солей
(см. стр. 245). Смесь, состоящая из 85 частей бикарбоната и 15 ча-
стей карбоната, при 20° находится в равновесии со свободной дву-
окисью углерода при парциальном давлении около 1,9 мм (см. т. I,
табл. 18 и 21); следует учесть, что растворимость двуокиси углерода
в 0,1 Ж растворе солей примерно на 10% меньше, чем в дестилли-
рованной воде. Из 1 мл этой смеси можно удалить 10 мл двуокиси
углерода без заметного изменения ее парциального давления в газовой
фазе. Смеси, содержащие больше карбоната и меньше бикарбоната,
имеют ббльшую буферную емкость и более низкую концентрацию
углекислоты.
Как указывалось выше, недостатком карбонатных буферов является
высокое значение их pH (около 9 для упомянутого выше буфера № 9).
Некоторые водоросли повреждаются при короткой экспозиции даже
менее щелочными буферными смесями (pH 8,5). Однако Chlorella
pyrenoidosa может, например, пребывать в течение многих часов без
признаков повреждения фотосинтетического аппарата даже в более
щелочных карбонатных смесях. Дыхание в карбонатных смесях про-
исходит несколько медленнее, чем в нейтральных и кислых средах.
Несмотря на отсутствие видимых повреждений, максимальный кван-
товый выход фотосинтеза у Chlorella в щелочных карбонатных бу-
ферах получается несколько ниже, чем в кислых (фосфатных) буфе-
рах; остается спорным вопрос о том, составляет ли это понижение
менее 20% (Рике, Эмерсон с сотрудниками) или же, как предполагает
Варбург, оно достигает 50% (см. гл. XXIX).
Когда определенно желают избежать щелочной реакции, измерения
фотосинтеза обычно производят в слегка кислой среде (например,
при pH около 5 с КНзРОД насыщая ее воздухом, обогащенным дву-
окисью углерода до 1—5%. Как кислород, так и двуокись углерода
обмениваются с газовой фазой над этими растворами, и наблюдаемые
изменения в давлении должны быть распределены пропорционально
между обоими газами при помощи довольно сложных вычислений.
Для каждого отдельного сосуда Варбурга, наполненного до опре-
деленной метки водой, может быть определена «постоянная сосуда»
/Со,, представляющая то увеличение давления, которое вызывает в этом
сосуде образование 1 см‘А кислорода. Аналогичная постоянная /Ссо,
может быть вычислена для двуокиси углерода. Если объем жидкости
достаточно велик по сравнению с объемом газа, /Ссо, будет значительно
меньше, чем
Зная эти постоянные и принимая фотосинтетический коэффициент
= Д Од/ — ДСО2 равным единице (см. т. I, гл. III), на основании
Методы Кинетических измерений
259
манометрических отсчетов можно вычислить скорость фотосинтеза
в отдельном сосуде. Если возникают сомнения в значении фотосин-
тетического коэффициента, можно его рассматривать как второе
неизвестное и для его определения можно получить дополнительное
уравнение, применяя второй сосуд Варбурга с другими показателями
(например, тот же сосуд, наполненный до другого уровня, или сосуд
с таким же объемом жидкости, но с увеличенным объемом газа;
см. фиг. 129). Увеличение давления в первом сосуде равняется:
Др' = к; ДО2+^о ЛСО2 = ДО2(к; —(25.3а)
во втором сосуде это увеличение давления равно:
Др'' = ДО2(л£-^).	(25.36)
Если значения К известны, эти два уравнения позволяют рассчитать
оба неизвестные: ДО2 и (Варбург).
Конечно, это манометрическое определение скорости фотосинтеза
является достоверным только в том случае, если определенно известно,
что никакой другой газ, кроме кислорода и двуокиси углерода, не
участвует в газовом обмене. После того как Гаффрон [93] заподо-
зрил, что у некоторых водорослей, выращиваемых анаэробно, это
условие не соблюдается, он стал вводить в боковые отростки мано-
метра химические адсорбенты для кислорода, двуокиси углерода и
водорода и таким путем доказал наличие водородного брожения и
фотохимического потребления водорода этими водорослями (см. т. I,
гл. VI).
Чтобы манометрические измерения были надежны, необходимо
строго соблюдать два условия. Прежде всего, если измеряются изме-
нения в давлении порядка 0,1 мм рт. ст. (1 мм раствора Броди) при
общем давлении порядка 100—1000 мм рт. ст., поддержание по-
стоянной температуры становится весьма важным. Реакционные со-
суды должны помещаться в прецизионные термостаты и сильно встря-
хиваться, чтобы обеспечить постоянное термическое равновесие. Энер-
гичное встряхивание необходимо также для выполнения второго
условия — быстрого установления равновесия между свободными и
растворенными газами. Это существенно как для того, чтобы устра-
нить задержку при манометрических отсчетах, так и для того, чтобы
иметь уверенность в том, что не происходит израсходование двуокиси
углерода в самом нижнем слое реакционного сосуда, где освещение
(через плоское дно) является наиболее интенсивным и потребление
двуокиси углерода при фотосинтезе происходит быстрее всего. Таким
образом, необходимы как быстрое перемешивание жидкости, чтобы
выравнивать концентрацию двуокиси углерода, так и сильное ее
17*
260
Глава XXV
плескание, чтобы увеличить и все время обновлять поверхность раз-
дела воздух — жидкость, тем самым ускоряя переход кислорода в га-
зовое пространство.
Вследствие этих осложнений прямые химические методы опреде-
ления двуокиси углерода и кислорода считаются многими исследова-
телями более приемлемыми, чем измерения давления, так как послед-
ние дают лишь косвенные указания на то, какой из газов вызывает
изменения в давлении. Несмотря на это, к манометрической методике
прибегают очень часто вследствие некоторых преимуществ, отсут-
ствующих при химическом анализе. Манометром измеряются измене-
ния в давлении независимо от общего давления исследуемого газа.
Таким образом, 10 мм3 двуокиси углерода можно определить с оди-
наковой точностью (при условии постоянства температуры) независимо
от того, составляет ли общее количество газа 50 или 500 мм3. Для
прямых химических методов это недостижимо. Манометр быстро реа-
гирует, поэтому измерения могут производиться при коротких пе-
риодах освещения и темноты.
Далее, метод с двумя сосудами требует точной тождественности
физиологических процессов и одинакового промежутка времени для
уравновешивания давления в обоих сосудах.
Для самых точных манометрических работ обычный открытый тип
манометра [42] можно заменить дифференциальным манометром. Та-
ким путем можно избежать помех, вызываемых влиянием барометри-
ческого давления. В дифференциальных манометрах при помощи ка-
тетометра отсчеты можно производить с точностью до 0,01 мм. Эта.
методика была специально разработана для измерений квантового по-
глощения при фотосинтезе (см. гл. XXIX).
Разработано несколько методов магнитометрического определе-
ния кислорода, основанных на парамагнетизме молекул О2. Магнит-
ный измеритель кислорода Полинга [108], с диапазоном 0—1 атм О2,
не может применяться прямо для точных измерений фотосинтеза.
В 1938 г. был предложен новый метод непрерывного определения
содержания кислорода в растворе, основанный на измерении прово-
димости. Он представляет собой разновидность так называемого
полярографического анализа, нашедшего многочисленные примене-
ния в современной аналитической химии. В основном прибор пред-
ставляет собой катод с малой поверхностью в растворе, в котором
прохождение тока вызывает катодное восстановление растворенного
кислорода до Н2О2. Максимальный ток, который может переходить
через кювету с таким анодом, определяется диффузным притоком
кислорода к аноду и потому пропорционален концентрации кис-
лорода.
Прибор для полярографического определения кислорода при био-
логических исследованиях был разработан Петерингом и Даниель-
сом [68] и применен Петерингом, Дэггаром и Даниельсом [76] для
определения квантового выхода при фотосинтезе у Chlorella. Диапа-
Методы кинетических измерений
261
зон определяемых концентраций простирается примерно от
5 • 10-5 молъ!л вплоть до насыщения. Вода, насыщенная воздухом,
при 25° содержит 2,4 • 10“4 моль)л кислорода. Подобный же метод
применялся Блинксом и Скау [69, 70) при исследовании индукцион-
ных явлений в фотосинтезе. Они рекомендуют заменить обычный
капельный ртутный электрод на постоянный ртутный или платиновый
точечный электрод. (Относительно вращающегося электрода см.
Кольтгоф [82].)
Чрезвычайная чувствительность фосфоресценции некоторых краси-
телей (например, трипафлавина, адсорбированного на силикагеле)
Фиг. 130. Образование кислорода у Chlorella
при отдельных вспышках света (измерено при по-
мощи фосфоресцентного метода) [99].
Высокий пик —освещение в течение 2 сек., малые пики—осве-
щение в течение 0,03 сек.
к следам кислорода была открыта Каутским. Франк и Прингсгейм [98]
исследовали этот эффект тушения количественно и нашли, что 50°/о
тушения получается при парциальном давлении кислорода, равном
5 • 10-5 мм. Поллак, Прингсгейм и Тервуд [99] и Франк, Прингсгейм
и Лэд [105] применили этот метод для исследования некоторых во-
просов фотосинтеза, например образования кислорода при отдельных
вспышках света. На фиг. 130 приведены результаты, полученные
при освещении суспензии Chlorella вспышкой света продолжитель-
ностью 2 сек. и несколькими вспышками продолжительностью 0,03 сек.
Причина, почему «кислородные взрывы», представленные на фигуре,
продолжаются в течение 1 мин. и дольше, заключается в том, что кисло-
род, образовавшийся во время вспышки света, лишь постепенно уно-
сится током азота из сосуда с суспензией в сосуд, содержащий фос-
форесцирующий гель. Прибор, сконструированный Прингсгеймом и
его сотрудниками, может быть применен для измерения скоростей
262
Глава XXV
вплоть до 5 • 10-8 ел® О2 в 1 мин. Однако этот метод может при-
меняться только при анаэробных или почти анаэробных условиях, так
как в присутствии более чем 10-3 мм О2 тушение фосфоресценции
становится практически полным.
Измерение потребления двуокиси углерода
Подобно выделению кислорода, потребление двуокиси углерода
при фотосинтезе может быть измерено или обычными методами
химического анализа или при помощи физико-химических методов.
Поглотители для двуокиси углерода хорошо известны; для этих це-
лей можно применить любые щелочи (например, гидроокиси кальция
или бария). Количество поглощенной двуокиси углерода можно опре-
делить гравиметрическим, титрометрическим, электрометрическим или
манометрическим способами. Испытания производятся либо на пробах
воздуха или раствора, взятых из реакционного сосуда до и после
фотосинтетического действия, либо, что более удобно, в циркулирую-
щем газе до и после его прохождения через реакционную камеру.
Удобно применять методы анализа, не требующие взятия проб, изме-
ряя, например, проводимость поглощающего раствора, находящегося
в равновесии с газом [59, 88]. Наименьшее количество двуокиси
углерода, определяемое таким путем, достигает порядка 10-7 г.
Для непрерывного определения двуокиси углерода в растворе было
предложено несколько методов. При работах с незабуференными рас-
творами потребление двуокиси углерода можно проследить ацидоме-
трически, например при помощи подходящего цветного индикатора
[23—26] или стеклянного электрода [69, 70].
Два чувствительных, чисто физических метода применяются для
определения двуокиси углерода в газовой фазе. Один из них основан
на спектрофотометрии, другой на теплопроводности. Мак-Алистер [61]
сконструировал прибор (фиг. 131), в котором содержание двуокиси
углерода в циркулирующем газе непрерывно регистрировалось при
помощи чувствительного к инфракрасным лучам спектрофотометра;
при этом использовалась сильная полоса поглощения двуокиси угле-
рода около 4,2—4,3 (1. Позднее прибор был приспособлен для реги-
страции изменений в концентрации двуокиси углерода вместо самой
концентрации (см. Мак-Алистер и Майерс [81]).
Упрощенный метод определения малых количеств двуокиси угле-
рода в воздухе при помощи инфракрасного поглощения без примене-
ния монохроматора (при устранении водяных паров, представляющих
собой единственный возможный компонент инфракрасного поглощения,
за исключением самой двуокиси углерода) был описан Динглем и
Прайсом [87]. Скарс, Лёви и Шоу [110] усовершенствовали этот при-
бор, значительно увеличив его чувствительность и приспособив его
для определения как двуокиси углерода, так и воды. Они применяли
его для изучения хода фотосинтеза и транспирации листьев.
Методы кинетических измерений
263
Хардер и Ауфдемгартен [71] и Ауфдемгартен [73] описали при-
бор, регистрирующий двуокись углерода автоматически; в этом при-
боре для определения содержания двуокиси углерода в окружающем
Фиг. 131. Аппарат для непрерывного спектроскопического измерения обмена
двуокиси углерода в растениях [61].
А и Б. Термостатные сосуды. В. Сосуд для питательного раствора. 1—лампа источника света;
2—плоское зеркало; 3—входная щель спектрографа; 4—вогнутое зеркало; 5—термометр;
6—выход; 7—к термостатному сосуду Б; 8—камера для растения; Р—снабжение питательным
раствором; 10—вал мотора и насос (в разрезе); 11—вода из термостатного сосуда Б; 12—впуск
воздуха; 13—шкала; 14—питательный раствор.
газе была использована скорость охлаждения электрически нагревае-
мой проволоки (изменения в концентрации двуокиси углерода оказы-
вают на теплопроводность более сильное действие, чем эквивалент-
ные изменения в концентрации кислорода).
264
Глава XXV
Определение образующихся углеводов
и превращения энергии
В ранних работах по фотосинтезу часто применялись два метода:
аналитическое определение образовавшихся углеводов и определение
теплоты сгорания синтезированного органического вещества; оба эти
метода вряд ли подходят для точных кинетических исследований. Как
указывалось в гл. III т. I (стр. 39), количество аналитически опре-
делимых углеводов, находимых в растении после продолжительного
периода фотосинтеза, часто значительно меньше того количества, ко-
торое ожидалось на основании скорости потребления двуокиси угле-
рода; этот результат можно приписать быстрому вторичному превра-
щению первичных продуктов и, возможно, также прямому образованию
при фотосинтезе вместо углеводов иных соединений.
Сжигание органического вещества является подходящим методом
для определения общей продукции фотосинтеза за весь вегетационный
период и широко распространено при полевых опытах; но этот ме-
тод явно не подходит для точных кинетических определений, в ко-
торых нельзя пренебречь органическим веществом, имеющимся в на-
чале опыта.
Однако возможен иной метод измерения фотосинтеза, также осно-
ванный на определении преобразованной энергии, хотя он, вероятно,
и не может соперничать в отношении простоты и точности с мето-
дами, основанными на определении двуокиси углерода или кислорода.
Из полной световой энергии (Д/7), поглощенной растениями, одна
часть (ДНе) превращается в химическую энергию (скрытая теплота
сгорания синтезированного органического вещества), а другая (Д//4)
превращается в теплоту. Выше мы уже говорили, что точное опре-
деление ДЛ/С является трудным делом, так как органическое веще-
ство обладает начальным весом, но определение ДН4 возможно. Его
можно произвести без повреждения растений, помещая их в чувствитель-
ный калориметр, после чего Д//с можно найти, вычитая Д//г из ДЛ/.
Маги, де Витт, Смит и Даниельс [75] измеряли теплоту, образующуюся
при поглощении некоторого количества света суспензией клеток Chlo-
rella в небольшом кварцевом сосуде, помещенном в термостатную ка-
меру. Затем они сравнивали это количество теплоты с количеством,
получающимся в том же приборе, когда свет поглощается тушью или
каким-либо иным инертным поглотителем. В этих опытах скорость
поглощения энергии была порядка 1 000 эрг/сек и ДТ/4 получалось
меньше, чем Д77, примерно на 2О°/о. Аналогичные методы были раз-
работаны Арнольдом и Тоннелатом (см. гл. XXIX).
Применение изотопных индикаторов
Применение изотопных индикаторов — стабильных, как Н2, С13
или О18, или радиоактивных, как Н3, С11 и С14, — дает возможность
Методы кинетических измерений
265
разработать новые чувствительные методы для измерения выхода фото-
синтеза. Для производства таких определений требуется снабдить рас-
тения двуокисью углерода или водой, обогащенными этими изотопами,
и измерить либо накопление изотопов в растительных клетках, либо
их исчезновение из примененного вещества. Однако явления изотоп-
ного обмена и изотопной избирательности делают эту задачу более
сложной, чем это может показаться на первый взгляд.
Применение изотопов Н3, С11, С14 и О18 для разрешения некото-
рых качественных задач в химии фотосинтеза (таких, как образова-
ние акцепторного комплекса двуокиси углерода и происхождение
кислорода, выделяемого при фотосинтезе) было описано в т. I (см.
в особенности стр. 59, 210, 251). Новые исследования с С14 в каче-
стве индикатора, проведенные для отождествления органических про-
межуточных веществ восстановления двуокиси углерода, будут опи-
саны в гл. XXXVI.
Техника получения меченых атомов и методика подсчетов описаны
в нескольких обзорных работах, например в монографиях Камена [109]
и Кальвина, Гейдельбергера, Рейда, Тольберта и Янковича [112].
ЛИТЕРАТУРА
1.	Maquenne L., Ann. apron., 6, 321 (1860).
2.	Simmler R. G., Ann. Phys. (Poggendorf), 115, 593 (1862).
3.	Sachs J., Botan. Z., 22,353, 361, 369 (1864).
4.	Vlerordt K., Die Anwendungen des Spectralapparates, Jena, 1871.
5.	Hoppe-Seyler F., Z. physiol. Chem., 2, 425 (1879).
6.	Engelmann T. W., Botan. Z., 39, 441 (1881).
7.	Kreusler U., Landw. Jahrb., 14, 913 (1885).
8.	Reinke J., Botan. Z., 44, 161, 177, 193, 209, 225, 241 (1886).
9.	Engelmann T. W., там же, 44, 43, 64 (1886).
10.	Pringsheim N., Botan Zentr., 28, 93 (1886).
11.	Pringsheim N., Ber. deut. botan. Ges., 4, 90 (1886).
12.	Engelmann T. W., Botan. Z., 45, 100 (1887).
13.	Detlefsen E., Arb. botan. Inst. Univ. Wttrzburg, 3, 534 (1888).
14.	Engelmann T. W., Arch. ges. Physiol. Pfliiger’s, 57, 375 (1894).
15.	Kohl F. G„ Ber. deut. botan. Ges., 15, 111 (1897).
16.	Beijerinck M. W., Proc. Acad. Sci. Amsterdam, 4, 45 (1901).
17.	Linsbauer K., Botan. Zentr. Beihefte, 10, 53 (1901).
18.	Brown H. T., Escombe F., Proc. Roy. Soc. London, B76, 29 (1905).
19.	Kniep H., Minder F., Z. Botan., 1, 619 (1909).
20.	Weigert F„ Z. wiss. Phot.. 11, 381 (1911).
21.	Kniep H., Jahrb. wiss. Botan., 56, 460 (1915).
22.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen fiber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
23.	Osterhout W. J. V., J. gener. Physiol., 1, 17 (1918).
24.	Osterhout W. J. V., там же, 1, 16 (1918).
25.	Osterhout W. J. V., Haas A. R. C., Science, 47, 420 (1918).
26.	Osterhout W. J. V., Haas A. R. C., Proc. Nat. Acad. Sc., 4, 85 (1918).
27.	Warburg 0., Biochem. Z., 100, 230 (1919).
28.	Warburg O., Biochem. Z., 103, 185 (1920).
29.	Wilmott A. J., Proc. Roy. Soc. London, B92, 304 (1921).
30.	Kfister E., Kultur der Mikroorganismen 3rd ed., Teubner, Leipzig and Ber-
lin, 1921.
266
Г лав а XXV
31.	Wurmser R., Arch. phys. biol., 1, 3 (1921).
32.	Warburg О., Negelein E., Z. physik. Chem., 102, 236 (1922).
33.	Warburg O., Negelein E., Z. physik. Chem, 106, 191 (1923).
34.	Harvey E. N„ Morrison T. F., J. gener. Physiol., 6, 13 (1923).
35.	Bose J. C., The Physiology of Photosynthesis, Longmans, Green, 1924.
36.	Лазарев П. П., Журн. прикл. физики, 1, 142 (1924).
37.	Pringsheim Е. О., Algenkultur, см. Abderhalden’s Handbuch der biologischen
Arbeitsmethoden, Abt. 11, Tell 2, Urban und Schwarzenberg, Berlin und
Wien, 1924.
38.	Warburg G., Biochem. Z„ 152, 51 (1924).
39.	Warburg O„ Biochem. Z., 166, 386 (1925).
40.	Spoehr H. A., Photosynthesis, Chemical Catalog Co., New York, 1926, p. 231.
41.	Pringsheim E. G„ Beltr. Biol. Pflanz., 14, 283 (1926).
42.	Wasburg O., Ueber den Stoffwechsel der Tumoren, Springer, Berlin, 1926.
43.	Лазарев П. П., Biochem Z., 182, 131 (1P27).
44.	Van der Honert T. H., Rev. trav. botan. neerland, 27, 149 (1930).
45.	Arnold A., Planta, 13, 529 (1931).
46.	Van Niel C. B„ Arch. Mikroblol., 3, 1 (1931).
47.	Hardy A. C., Perrin F. H., The Principles of Optics. McGraw-Hill, New
York, 1932.
48.	Van der Paauw F., Rev. trav. botan. nderland., 29, 497 (1932).
49.	Seybold A., Planta, 16, 195 (1932).
50.	Seybold A., Planta, 18, 479 (1932).
51.	Seybold A., Planta, 20, 577 (1933).
52.	Hoover W. H., Johnston E. S., Brackett F. S., Smithsonian Inst. Pub. Misc.
Collections, 87, № 16 (1933).
53.	Gaffron H., Biochem. Z., 260, 1 (1933).
54.	Seybold A., Planta, 21, 251 (1933).
55.	Emerson R., Green L., J. gener. Physiol., 17, 817 (1934).
56.	Gaffron H„ Biochem. Z„ 269, 447 (1934).
57.	Barker H. A., Arch. Mikroblol., 6, 141 (1935).
58.	Mestre H., Cold. Spring Harbor Symposia Quant. Biol., 3, 191 (1935).
59.	Newton R. G., Ann. Botany, 49, 381 (1935).
60.	Gaffron H., Biochem. Z„ 275, 301; 279, 1 (1935).
61.	McAlister E. D., Smithsonian Inst. Pub. Mies. Collections, 95, № 24 (1937).
62.	Smith E. L., J. gener. Physiol., 20, 807 (1937).
63.	Gessner F., Jahrb. wiss. Botan., 85, 267 (1937).
64.	Hill R., Nature, 139, 881 (1937).
65.	French C. S„ J. gener. Physiol., 20, 711; 21, 71 (1937).
66.	Pearsall W. H., Loose L., Proc. Roy. Soc. London, B121, 451 (1937).
67.	Emerson R., Green L., Plant Physiol., 13, 157 (1938).
68.	Petering H. G., Daniels F., J. Am. Chem. Soc., 60, 2796 (1938).
69.	Blinks L. R„ Skow R. K., Proc. Nat. Acad. Sc., 24, 413 (1938).
70.	Blinks L. R., Skow R. К., там же, 24, 420 (1938).
71.	Harder R., Aufdemgarten H., Nachr. Ges. Wiss. Gottingen, 3, 191 (1938).
72.	Eymers J. G., Wassink E. C., Enzymologia, 2, 258 (1938).
73.	Aufdemgarten A., Planta, 29, 643; 30, 343 (1939).
74.	Hili R., Proc. Roy. Soc. London, B127, 192 (1939).
75.	Magee J. L., de Witt T. W., Smith E. C., Daniels F., J. Am. Chem. Soc.,
61, 3529 (1939).
76.	Petering H. G., Duggar В. M., Daniels F„ там же, 61, 3525 (1939).
77.	Eichhoff H. J., Biochem. Z„ 303, 112 (1939).
78.	Noddack W., Eichhoff H. J., Z. phys. Chem., A185, 241 (1939).
79.	Meyer К. P., Helv. Phys. Acta, 12, 349 (1939).
80.	Emerson R„ Lewis С. M., Am. J. Botany, 26, 808 (1939).
81.	McAlister E. D., Myers J., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 99,
№ 6 (1940).
Методы кинетических измерений
267
82.	Kolthoff I. М., Laitinen Н. A., Science, 92, 152 (1940).
83.	Pearsall W. Н., Bengry R. P., Ann. Botany, 4, 365 (1940).
84.	Pratt R., Am.. J. Botany, 27, 52 (1940).
85.	Pratt R., Fong J., Am. J. Botany, 27, 431 (1940).
86.	Sargent M. C., Plant Physiol., 15, 275 (1940).
87.	Dingle H., Pryce A. W., Proc. Roy. Soc. London, B129, 468 (1940).
88.	Clark D. G., Shafer J., Curtis O. F., Plant Physiol., 16, 643 (1941).
89.	Emerson R., Lewis С. M-, Am. J. Botany, 28, 789 (1941).
90.	Taylor A. H., Kerr G. P., J. Opt. Soc. Am., 31, 3 (1941).
91.	Dutton H. J., Manning W. M., Am. J. Botany, 28, 516 (1941).
92.	Emerson R., Lewis С. M., J. gener. Physiol., 25, 579 (1942).
93.	Gaffron H., J. gener. Physiol., 26, 195 (1942).
94.	Pratt R., Am. J. Botany, 29, 142 (1942).
95.	Steemann-Nielsen E., Dansk Botanisk Ark., 11, № 2 (1942).
96.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 285 (1942).
97.	Pratt R„ Am. J. Botany, 30, 32, 626 (1943).
98.	Franck J., Pringsheira P., J. chem.. Rhys., 11, 21 (1943).
99.	Pollack M., Pringsheim P., Terwood D., J. chem. Phys., 12, 295 (1944).
100.	Van Niel С. B., Bad. Revs, 8, 1 (1944).
101.	Myers J., Plant Physiol., 19, 579 (1944).
102.	Myers J., Clark L. B„ J. gener. Physiol., 28, 103 (1944).
103.	Pratt R., Am. J. Botany, 31, 418 (1944).
104.	Pratt R., Oneto J. F., Pratt J., Am. J. Botany, 32, 504 (1945).
105.	Franck J., Pringsheim P„ Lad D. T., Arch. Biochem.^ 7, 103 (1945).
106.	Wassink E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 12, 3 (1945).
107.	Myers J., J. gener. Physiol., 29, 419, 429 (1946).
108.	Pauling L., Wood R. E., Sturdivant J. H., J. Am. Chem. Soc., 68, 795 (1946).
109.	Kamen M., Radioactive Tracers in Biology, Academic Press, New York,
1947.
110.	Scarth G. W., Loewy A., Shaw M., Can. J. Research, C26, 34 (1948).
111.	Warburg O., Schocken V., Arch. Biochem., 21, 363 (1949).
112.	Calvin M., Heidelberger C., Peid J. C., Tolbert В. M., Yankwich P. E.,
Isotopic Carbon, Wiley, New York, 1949.
113.	Van der Veen R., Physiologla plantarum, 2, 217 (1949).
114.	Barr A. C., Ilium Eng., 65, 37 (1950).
115.	Tanada T., Am. J. Botany, 38, 276 (1951).
Глава XXVI
ВНЕШНИЕ И ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ
ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ
«Кардинальные точки» и «лимитирующие факторы»
Даже при изучении простых реакций in vitro физико-химик редко
имеет возможность управлять всеми условиями, влияющими на ско-
рость реакции. Поэтому в большинстве случаев два определения ско-
рости какой-либо реакции согласуются лишь в отношении порядка
их величин. Кроме легко контролируемых внешних факторов, например
температуры, давления и интенсивности света, скорость часто зависит
от таких трудно уловимых факторов, как состояние стенок сосуда
или наличие малейших загрязнений. Поэтому легко представить себе
те трудности, которые встречаются при кинетических исследова-
ниях сложных химических процессов в живом организме. Скорость
таких процессов зависит от многих физиологических факторов, кото-
рые не входят явно в кинетические уравнения. Из всех жизненных
явлений фотосинтез, вероятно, наиболее чувствителен к слабым
изменениям в структуре и составе биокаталитического аппарата.
Поэтому неудивительно, что высказывались сомнения в самой воз-
можности получения достоверных кинетических соотношений на осно-
вании количественного изучения этого явления.
Сперва в этом отношении преобладал большой оптимизм. Развитие
в XIX в. естественных наук привело к убеждению, что биологические
процессы следуют сравнительно простым математическим законам;
были сделаны многочисленные попытки сформулировать эти законы
для образования органического вещества растениями*.
* По материалам, излагаемым в настоящей главе, необходимо сделать
следующие замечания.
Сами по себе попытки уложить сложные биологические явления в по-
стоянные, якобы универсальные математические схемы являются порочными
прежде всего в силу качественного своеобразия жизненных процессов и
отправлений.
Закономерно и целесообразно подвергать математическому анализу кон-
кретные данные биологических наблюдений для выяснения некоторых осо-
бенностей природы этих явлений, но бессмысленно считать, что динамика
и кинетика жизненных явлений укладываются в общие универсальные мате-
матические формулы, а задача биологов заключается якобы в том, чтобы,
во-первых, вскрыть эти общие математические законы жизненных явлений,
а во-вторых, найти место конкретным жизненным явлениям в общих мате-
матических уравнениях, определив соответствующие «константы», «коэффи-
циенты» и т. д.
Это именно тот самый путь, который был резко осужден В. И. Лениным
и который, в конечном итоге, приводит к такому положению, когда в мате-
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе 269
Самые ранние суждения о зависимости фотосинтеза от внешних
факторов были основаны на представлении о трех кардинальных точ-
ках (Сакс [3]). Согласно этому представлению, широко распростра-
ненному до конца прошлого столетия, биологические процессы воз-
никают при некоторых минимальных значениях соответствующих
внешних переменных факторов (таких, как температура, давление,
влажность, интенсивность света и т. д.), достигают наибольшей ско-
рости при некоторых оптимальных их значениях и затем падают и
прекращаются совсем после того, как будут превзойдены макси-
мально допустимые значения.
За 20 лет до провозглашения принципа трех кардинальных точек
Либих [1, 2] установил простое правило относительно действия раз-
личных элементов на урожай полевых культур. Он утверждал, что
эти урожаи определяются количеством одного из питательных элемен-
тов (калия, фосфора или азота), а именно: того, который присут-
ствует в самой низкой (по сравнению с оптимумом) концентрации.
Это утверждение стало известно под названием «закона минимума».
Шестьдесят лет спустя Блэкман [4] высказал предположение, что
этот закон в обобщенном виде может быть применен к фотосинтезу,
и в этом случае он может объяснить наблюдаемые факты лучше, чем
представление о трех кардинальных точках. Блэкман заимствовал от
Либиха мысль, что скорость биологического процесса (в данном слу-
чае фотосинтеза) определяется при данных условиях одним «лимити-
рующим» фактором; однако в дополнение к снабжению материальными
ингредиентами (единственный вид факторов, с которым имел дело
Либих) Блэкман рассматривал как возможные «лимитирующие фак-
торы» также температуру и интенсивность света.
Он предполагал, что с увеличением значения какого-либо одного
из этих факторов (Fj скорость фотосинтеза увеличивается до тех
пор, пока этот фактор продолжает оставаться «самым медленным»,
но она перестает зависеть от когда лимитирующим становится
магических «изысканиях» математиков или неосмотрительно пользующихся
математикой биологов «„Материя исчезает’, остаются одни уравнения»
(В. И. Лени н, Соч., т. 14, стр. 294).
Биологические вопросы в ряде случаев можно и даже нужно разрешать,
призывая на помощь математический анализ, но разрешать их надо не как
самодавлеющие математические задачи. Ход многих биологических процессов
в каждом конкретном случае можно выразить математическим уравнением
и в ряде случаев извлечь из математического анализа полезные сведения
о некоторых особенностях природы процесса, но бессмысленно предполагать
наличие общих универсальных математических «законов» течения жизненных
процессов и пытаться анализировать конкретные жизненные процессы как
выражение этих законов.
Сложные и качественно своеобразные биологические процессы нельзя
свести к простым закономерностям и законам физики, химии и математики.
Это положение совершенно очевидно и из того материала, который при-
водит в настоящей главе Е. Рабинович, не давая ему, однако, вполне
правильного толкования. — Прим. ред.

Г лаб а XXVI
какой-либо иной фактор (F2, F3, ...). Другими словами, кривая
выхода фотосинтеза Р относительно переменного Fj (при постоянном
значении всех других кинетических факторов) имеет, по Блэкману,
форму АВС (фиг. 132) вместо формы МОМ', требующейся по тео-
рии оптимума. Блэкман не мог отрицать того, что крайние условия
обычно задерживают биологические процессы, другими словами, гори-
зонтальная часть ВС на фиг. 132 не может простираться неограни-
ченно и рано или поздно фотосинтез должен начать падать, как это
показано прерывистой линией. Однако он приписал это падение явлениям
Фиг. 132. Фотосинтез, согласно представлениям
о «кардинальных точках» (МОМ') и «лимитирующих
факторах» (ABCD).
разрушения, например замерзанию клеточной воды или денату-
рации белков, неприсущим самому кинетическому механизму фото-
синтеза. По мнению Блэкмана, эти проявления угнетения только огра-
ничивают область, в которой «закон лимитирующих факторов» под-
тверждается; на их привходящий характер указывает тот факт, что
всякий раз, когда они начинают действовать, скорость, вместо того
чтобы обусловливаться исключительно только значениями переменных
Fj, F2, ..., становится зависимой от времени, обнаруживая тем
самым прогрессирующее (и часто необратимо) разрушение биохими-
ческого аппарата.
По сравнению с гипотезой трех кардинальных точек блэкманов-
ская теория лимитирующих факторов представляет собой существен-
ный прогресс в истолковании кинетики фотосинтеза. Со времени
своего появления, в 1905 г., она была принята и широко использо-
вана исследователями фотосинтеза. К сожалению, Блэкман не удов-
летворился улучшением общего качественного представления; полагая,
что производительность биологических процессов должна подчиняться
простым количественным законам, он настойчиво стремился трактовать
представление о «лимитирующих факторах» как точный закон при-
роды. Он утверждал, что кривые P==f{Fj) должны обязательно иметь
форму, показанную на фиг. 132, т. е. состоять из прямолинейно
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе 271
восходящей части, заканчивающейся резким переломом, за которым
следует горизонтальная часть. Для того чтобы это правило было
справедливо также и для зависимости фотосинтеза от всех других
факторов (F2, F3, ...), он должен был допустить, что для различных
значений параметра F2 выход Р как функция F: изображается серией
ломаных линий: ABC, ABDE, ABDFG (фиг. 133), совпадающих при
низких значениях Fj (часть АВ на фиг. 133) и отличающихся друг
от друга только положением перелома, где восходящая часть пере-
ходит в горизонтальную прямую. Это значит, что скорость фотосин-
теза была принята пропорциональной одному лимитирующему при
данных условиях фактору и
совершенно не зависимой от
всех других факторов.
Только для температуры,
когда она играет роль
«лимитирующего фактора»,
Блэкман допускает возмож-
ность иной формы для вос-
ходящей части кривой; эта
часть кривой, вместо того
чтобы возрастать линейно,
следует экспоненциальному
закону в согласии со всеми
Ф и г. 133. Кинетические кривые первого
типа («тип Блэкмана»),
имеющимися данными
висимости химических
о за-
реак-
ций от температуры.
Будучи твердо убеждены, что «закбн лимитирующих факторов»
должен строго соблюдаться, Блэкман и его ученики пытались согла-
совать экспериментальные данные с этим чересчур упрощенным пред-
ставлением. Другие авторы возражали против этого, так что возник
спор,' в результате которого в течение уже более 40 лет в ботани-
ческих журналах появляются статьи «за» и «против» блэкмановской
теории.
Эта затянувшаяся дискуссия скорее задержала, чем способство-
вала проникновению в физиологию растений таких основных поло-
жений кинетики реакций и фотохимии, как закон действия масс,
уравнения активации Больцмана и Аррениуса и квантовый принцип
фотохимии, которые одни только могут дать достаточное основание
для кинетического рассмотрения любой химической реакции, как in
vitro, так и in vivo. Ниже будет показано, что с точки зрения этих
положений «закон» Блэкмана является просто идеализацией, к кото-
рой можно более или менее близко подойти при некоторых особых
условиях.
Браун и Хейзе [8] и Браун [10] подошли критически к способу,
которым Блэкман подтверждал «закон лимитирующих факторов», по-
своему интерпретируя наблюдения более ранних исследователей; они
ЧП
Глава XXVI
показали, что даже собственные измерения Блэкмана не согласуются
точно с типом кривых на фиг. 133.
В некоторых последующих исследованиях, например Ван-дер-Хо-
нерта [37], получились кривые, настолько точно приближающиеся
к «типу Блэкмана» (см., например, фиг. 146), что авторы сочли
«закон лимитирующих факторов» безусловно приложимым в идеаль-
ных экспериментальных условиях (например, при равномерном осве-
щении всех клеток; см. стр. 275). Другие столь же надежные из-
мерения дали, однако, совершенно иную картину — семейство кривых
расходящихся с самого начала (см., например, фиг. 145).
На основании исследований этого типа Бозе [19] пришел к другой
крайности, предположив в качестве альтернативы к постулату Блэк-
мана, что действие некоторого изменения в факторе Ft на выход
Фиг. 134. Кинетические
кривые второго типа («тип
Бозе»).
Фиг. 135. Кинетические кривые
третьего типа.
фотосинтеза является не зависимым от преобладающих значений всех
других факторов (F2, F3, .. .), тогда как, согласно Блэкману, это
действие должно всецело зависеть от того, является или не является Fj
лимитирующим фактором. Постулат Бозе требует, чтобы кривые,
представляющие выход фотосинтеза по отношению к фактору F, при
различных значениях F2, имели форму, представленную на фиг. 134.
«Закон» Бозе был выведен на основании очень малого числа измере-
ний; он представляет собой просто другое приближение, соответ-
ствующее некоторым условиям, противоположным тем, которые бла-
гоприятствуют получению кривых «типа Блэкмана».
Система кривых «типа Блэкмана» имеет широкие и находящиеся
на разных уровнях горизонтальные «плато», соответствующие насы-
щению, и совпадающие начальные склоны; система кривых «типа
Бозе» также имеет раздвинутые «плато» насыщения, но раздельные
начальные склоны. Систему кривых «типа Блэкмана» мы будем
в дальнейшем называть первым типом, а систему кривых «типа
Внешние и внутренние факторы, при фотосинтезе	273
Бозе» — вторым типом.' Третий тип кинетических кривых, также встре-
чающийся в фотосинтезе, характеризуется начальным расхождением,
и конечным схождением кривых в общую плоскую вершину насыще-
ния (фиг. 135). Условия, при которых возникают эти три типа кри-
вых, будут рассмотрены ниже.
В то время как дискутировалась ограниченность «закона» Блэкмана
о лимитирующих факторах, представление Либиха об «абсолютном
минимуме» одного фактора (одного из элементов питания), послужив-
шее основой для этого «закона», было также найдено слишком кос-
ным, и были сделаны попытки изменить его так, чтобы допустить
возможность одновременной чувствительности культуры к нескольким
факторам (к нескольким элементам питания), о каждом из которых
можно сказать, что он находится в «относительном минимуме». Новые
аналитические формулировки закона минимума, предложенные, напри-
мер, Митчерлихом [5, 7, 12, 15] и Бауле [11, 13], привели к кри-
вым урожая, приближающимся к максимуму асимптотически, без рез-
кого перелома *.
Подобные же компромиссные решения были предложены и для
фотосинтеза. Хардер [16], Лундегорд [17, 18] и Синг и Лал [56] на
основании своих измерений пришли к выводу, что скорость фото-
синтеза может зависеть от нескольких факторов одновременно; когда
один фактор постепенно перестает быть лимитирующим, влияние
другого возрастает. Это представление является промежуточным между
постулатами Блэкмана и Бозе; были произведены попытки использо-
вать его для общей формулировки кинетических отношений при фото-
синтезе.
Однако вследствие разнообразия факторов и условий, встречаю-
щихся в фотосинтезе, мало вероятно, чтобы какое-либо аналитиче-
ское приближение оказалось одинаково удовлетворительным для всех
изучаемых случаев. «Закон минимума» Либиха относится только
к одному виду факторов — к питательным элементам; нельзя отри-
цать, что он представляет собой одинаково хорошее первое прибли-
жение для всех таких факторов и улучшенная математическая его
формулировка может дать вообще полезное второе приближение**.
Эти надежды оправданы в гораздо меньшей степени в случае фото-
синтеза, где Блэкман включил под рубрикой «лимитирующие фак-
торы» такие разнородные величины, как концентрацию реагирующего
* И старые формы «закона минимума» Либиха и новые его «аналитиче-
ские формулировки» методологически порочны как заранее предполагающие
пределы скорости и общих результатов биологических процессов. Именно
«закон минимума» Либиха и более новые его модификации оказались мето-
дологической основой для «закона убывающего плодородия почвы», критика
которого дана В. И. Лениным (Соч., т. 5, стр. 93), а подробный анализ его
несостоятельности проведен в таких трудах В. Р. Вильямса, как «Общее
земледелие» и «Основы земледелия». — Прим. ред.
** См. предыдущие примечания к настоящей главе.— Прим. ред.
18 Зак. 4040. Е. Рабинович
274
Глава XXVI
вещества (COg), количество сенсибилизатора (хлорофилла), скорость
снабжения световой энергией и температуру.
Маскелл [26, 27], работавший в лаборатории Блэкмана, сделал
новую попытку оправдать «закон» Блэкмана в его первоначальном
виде. Он предположил, что причина кажущихся отклонений от
этого «закона» лежит во «взаимодействии факторов». Вот один из при-
меров того, что он имел в виду. В «состоянии, лимитированном дву-
окисью углерода», определяющая скорость концентрация СО2 должна
быть такой, какая преобладает в непосредственной близости с хло-
ропластами. Вследствие потребления двуокиси углерода при фотосин-
тезе эта концентрация является необязательно одинаковой с внешней
концентрацией (в атмосфере или в окружающем растворе), но зави-
сит от скорости диффузии двуокиси углерода из среды к хлоропла-
стам и, таким образом, от отверстия устьиц. Следовательно, если
освещение изменяет величину этих отверстий, оно может косвенно
влиять на скорость фотосинтеза даже в «состоянии, лимитированном
двуокисью углерода», не потому, что скорость действительно чув-
ствительна одновременно как к интенсивности света, I, так и к кон-
центрации двуокиси углерода, [СО2], но потому, что освещение влияет
на эффективное значение фактора [СО2].
Однако настойчивое утверждение, что «настоящий» лимитирующий
фактор должен существовать при всех условиях, чуждо кинетике,
изучающей ход реакций. Отношение между «законом лимитирующих
факторов» и основными понятиями кинетики реакций было установ-
лено Ромеллом в 1926 г. [20]. Он указал, что блэкмановский термин
«самый медленный фактор» не имеет смысла и что можно говорить
только о самом медленном процессе в последовательном ряду процес-
сов. Скорость простой гомогенной реакции является обычно функ-
цией всех наличных факторов, например концентраций всех реаги-
рующих веществ, температуры и (в фотохимическом процессе) интен-
сивности света. Влияние «лимитирования» типа, предполагаемого
Блэкманом, может существовать только в том случае, если реакция,
у которой измеряется суммарная скорость, состоит из нескольких
последовательных ступеней, причем одна ступень снабжает реагирую-
щими веществами следующую. Если процесс снабжения идет медленно,
он становится «узким местом» и скорость суммарной реакции может
стать не зависимой от всех факторов, которые не влияют на эту
одну «лимитирующую» или «определяющую скорость» ступень. Про-
стой пример этого представляют многие фотохимические реакции,
в которых снабжение активированными молекулами является «уз-
ким местом» или лимитирующим процессом. Всякий раз, когда
на практике получают кривые «типа Блэкмана», можно считать, что
здесь имеют дело с рядом последовательных реакций, в котором
имеется, по крайней мере, одна ступень, лимитирующая максималь-
ную производительность. В этом случае скорость суммарного процесса
не может превзойти максимальную скорость прохождения системы
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
275
через это «узкое место». «Узким местом» в фотосинтезе может быть
или снабжение световой энергией, или снабжение реагирующими веще-
ствами, или удаление продуктов реакции. Мы рассмотрим эти три
случая более подробно в третьем разделе этой главы, где показано,
что даже при наличии «узкого места», отношения, постулированные
Блэкманом, являются только приближением и никогда точно не выпол-
няются.
Фотосинтез как негомогенная реакция
При кинетической трактовке фотосинтеза необходимо иметь в виду
что фотосинтез не является гомогенной реакцией. Это утверждение
справедливо в двух отношениях. Во-первых, фотосинтетический аппа-
рат представляет собой коллоидную систему с определенной струк-
турой, содержащей, вероятно, ряды ориентированных молекул пиг-
мента, адсорбированных на промежуточных поверхностях белковых и
липоидных слоев (см. т. I, гл. XII). Во-вторых, снабжение световой
энергией и реагирующими веществами различных частей этой струк-
туры происходит неравномерно, в особенности когда фотосинтез идет
с большой скоростью.
Рассмотрим эти две стороны проблемы более подробно. Реакции,
участвующие в фотосинтезе, являются, по крайней мере частично,
поверхностными реакциями. Далее, весьма вероятно, что их можно
считать топохимическими реакциями, т. е. такими, которые происхо-
дят не путем столкновения молекул, движущихся беспорядочно
в двумерных адсорбционных слоях, а путем прохождения реагирую-
щих молекул через ряд каталитических «реакционных центров». Про-
дукты, образованные в одном реакционном центре, направляются
к следующему, так что обратные реакции неустойчивых, промежу-
точных продуктов окисления и восстановления не могут совершаться
вследствие пространственного разделения этих продуктов. Уравнения,
основанные на законе действия масс, могут применяться к этому типу
реакций только с большими оговорками.
Вторая сторона негомогенности процесса фотосинтеза — неравно-
мерное снабжение реагирующими веществами и энергией различных
частей фотосинтетического аппарата — обсуждалась в литературе не-
сколько раз, например Шандерлем и Кемпфертом [48] и Катцом, Вас-
синком и Доррештейном [76]. Если бы даже молекулы хлорофилла и
катализатора, участвующие в фотосинтезе, и были распределены
равномерно во всех частях хлоропласта, что на самом деле не так,
то снабжение двуокисью углерода, так же как и световыми квантами,
вероятно, происходило бы неодинаково в разных местах. На сильном
свету и при ограниченном снабжении двуокисью углерода молекулы
хлорофилла, ближайшие к источнику снабжения, могут использовать
ббльшую часть имеющегося редуцируемого субстрата и оставить
очень мало для менее благоприятно расположенных частиц пигмента;
18*
276
Глава XXVI
другими словами, численное значение концентрационного фактора,
[СО2], в кинетических уравнениях может изменяться от места к месту.
Подобное же соображение приложимо к фактору интенсивности
света, I: вследствие большой оптической плотности хлоропластов,
особенно для красных и сине-фиолетовых лучей (см. фиг. 83), свет,
вероятно, слабее поглощается молекулами хлорофилла, расположенными
глубоко в теле хлоропласта (или на его «теневой стороне»), чем
молекулами, расположенными на его поверхности, обращенной к свету.
Фиг. 136. Ослабление света при прохождении через лист Cyclamen persi-
сит [48]. Шкала справа от поперечного среза листа — глубина в микронах.
Z—фиолетово-синий свет; // — белый свет; ///—красный свет.
Таким образом, негомогенности нельзя избежать, даже применяя раз-
бавленные клеточные суспензии, в которых освещенность одинакова
для всех клеток, но не для всех молекул хлорофилла. В более плот-
ных суспензиях можно достичь лишь средней по времени постоянной
освещенности всех клеток, и то лишь при очень энергичном разме-
шивании. В слоевищах многоклеточных водорослей или в листьях
высших растений несоразмерность в скоростях поглощения света
у различных клеток не может быть учтена совсем. Например, погло-
щение в клетках губчатой паренхимы при всех обстоятельствах бывает
значительно слабее, чем в палисадных клетках (фиг. 136). Таким
образом, на кривых, представляющих скорость фотосинтеза (Р) как
функцию концентрации двуокиси углерода или интенсивности света,
абсциссы являются средними значениями, усредненными для одной или
Внешние и внутренние факторы, при фотосинтезе 277
для многих клеток. Уже это одно должно препятствовать этим кри-
вым следовать тому ходу, который предполагал Блэкман, даже если
бы закон лимитирующих факторов был точно справедлив для иде-
ального случая равномерно освещенной и равномерно снабжаемой гомо-
генной системы. Катц, Вассинк и Доррештейн [76] вывели уравнение,
при помощи которого получаемые экспериментально световые кривые
P=f(IQ) (где /0—интенсивность света, падающего на переднюю
стенку сосуда с суспензией водорослей или бактерий) можно перерас-
считать таким образом, чтобы представить Р в отношении средней
интенсивности света, I, в действительности падающего на отдельную
клетку водоросли или бактерии (см. фиг. 193, А, Б и В).
Некоторые общие кинетические соображения
Некоторые исследователи, ясно осознавшие неизбежность искаже-
ния кривых фотосинтеза для света и двуокиси углерода вследствие
обсуждавшихся в предыдущем разделе «влияний глубины», предпо-
ложили, что в той мере, в какой эти влияния могут быть устра-
нены (экспериментально — применением очень разбавленных суспензий
или математически — введением соответствующих поправок на негомо-
генность), кинетические кривые будут приближаться к идеальным кри-
вым «типа Блэкмана». Несомненно, что устранение влияния глубины
укорачивает переходный участок между восходящей частью кривых
и горизонтальной частью насыщения. Однако фиг. 193, В показывает,
что это не делает переломы кривых резкими. Только незначительная
часть отклонений от поведения «типа Блэкмана» может быть припи-
сана негомогенности; даже при устранении всех влияний глубины
в кинетическом анализе все же приходится сталкиваться с системами
кинетических кривых всех трех типов, примеры которых приведены
на фиг. 133, 134 и 135.
Общей чертой всех этих кривых является наличие области насы-
щения, т. е. состояния, при котором скорость фотосинтеза не зави-
сит от переменного Fv Уровень же насыщения может зависеть от
параметра F2, как в системах кривых «типа Блэкмана» и «типа
Бозе» (см. фиг. 133 и 134), или может не зависеть от него; в этом
последнем случае наблюдаются системы кривых третьего типа (см.
фиг. 135).
Источники насыщения в фотосинтезе. Суммарная скорость
процесса, состоящего из ряда последовательных химических или физиче-
ских стадий, называемых иногда цепным рядом, не может превосхо-
дить скорости какой-либо отдельной его ступени. Поэтому «насыще-
ние» такого процесса в отношении данного кинетического перемен-
ного Fx достигается всякий раз тогда, когда суммарная скорость
становится равной максимальной скорости отдельной ступени, которая
сама по себе должна быть не зависимой от этого переменного.
278
Глава XXVI
Например, при данных условиях температуры и внешнего давления дву-
окиси углерода (возможно, также влажности и других факторов, влияю-
щих на коллоидную структуру клетки) фотосинтезирующие клетки
могут снабжаться двуокисью углерода с совершенно определенной
максимальной скоростью, которая достигается тогда, когда постоян-
ная концентрация СО2 в месте, где происходит фотосинтез, равна
нулю, и поэтому градиент диффузии между средой и хлоропластом
имеет максимальное из всех возможных значений. Эта максимальная
скорость снабжения двуокисью углерода путем диффузии не зависит
от освещенности, если не считать упомянутой выше возможной кос-
венной зависимости. Поэтому световое насыщение должно происхо-
дить всяки» раз, когда суммарная скорость фотосинтеза приближается
к максимальной скорости снабжения двуокисью углерода путем диф-
фузии. В этом рассуждении диффузия двуокиси углерода может быть
заменена предварительной химической реакцией, скорость которой
пропорциональна концентрации СО2 (например, образование комплекса
{СО2} из двуокиси углерода и акцептора; см. т. I, гл. VIII). Б этом
случае световое насыщение определяется максимально возможной ско-
ростью образования {СО2}, которая достигается тогда, когда все
молекулы акцептора становятся свободными, т. е. когда все ком-
плексы {СО2} используются для фотосинтеза практически момен-
тально после своего образования. Подобным же образом насыщение
двуокисью углерода должно происходить всякий раз, когда суммар-
ная скорость фотосинтеза приближается к скорости снабжения све-
товой энергией и квантовый выход принимает свое наивысшее воз-
можное значение.
Кроме снабжения двуокисью углерода и световой энергией, имеются
и другие факторы, которые также могут играть роль «потолка» для
суммарной скорости фотосинтеза и таким образом быть причиной
явлений насыщения. Эту роль может играть, например, концентрация
любого из катализаторов, принимающих участие в фотосинтезе, вклю-
чая «фотокатализатор»—хлорофилл. Например, если одна реакцион-
ная ступень в цепном ряду фотосинтеза представляет собой моно-
молекулярное превращение комплекса катализатор — субстрат:
(Катализатор + субстрат) -> катализатор + продукт,
то максимальная скорость этой реакционной ступени достигается
тогда, когда все имеющиеся молекулы катализатора заняты молеку-
лами субстрата. Когда фотосинтез происходит со скоростью, требую-
щей такого максимального использования одного катализатора, из-
менения большинства кинетических переменных (таких, как концентра-
ция участников реакции или других катализаторов или интенсивность
света) не могут увеличить скорость еще больше. Только повышение
температуры может поднять «потолок», образованный максимальной
скоростью такого каталитического превращения. Роль лимитирующего
скорость катализатора может играть любой из нескольких катализа-
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
279
торов, которые были рассмотрены в т. 1 (см. гл. VI, VII и IX),
например карбоксилаза Ед., стабилизирующий катализатор (му-
таза?) Ев или деоксигеназы Ес и Ео. Подобную же роль может
играть хлорофилл, если, например, в первичном фотохимическом про-
цессе происходит химическое изменение этого пигмента и требуется
некоторое время для его регенерации. Акцепторы или переносчики,
такие, как акцептор двуокиси углерода (см. т. I, гл. VIII), тоже яв-
ляются катализаторами, и недостаток любого такого вспомогательного
соединения, в свою очередь, может быть лимитирующим фактором
в фотосинтезе.
Все эти факторы могут способствовать (а большинство их, вероятно,
и фактически способствует) лимитированию скорости фотосинтеза при
различных условиях, являясь, таким образом, причиной насыщения
этой скорости в отношении различных кинетических переменных. Нет
никаких теоретических оснований ожидать, и экспериментальные дан-
ные совершенно не указывают на то, что насыщение в отношении,
например, интенсивности света или концентрации двуокиси углерода
всегда вызывается одним и тем же лимитирующим фактором. Наобо-
рот, можно найти ясные указания на явления насыщения, вызванные
медленной диффузией, медленным карбоксилированием, различными
каталитическими недочетами, недостаточным освещением и ограничен-
ным снабжением восстановителями (в бактериальном фотосинтезе).
Все это можно рассматривать как доказательство хорошей согласо-
ванности фотосинтетического процесса в целом, так как это озна-
чает, что различные части сложного аппарата фотосинтеза имеют при-
близительно одинаковую максимальную производительность. В свете
такого разнообразия возможных лимитирующих скорость ступеней
становится понятным, почему многократные попытки представить ки-
нетику фотосинтеза при помощи схем, состоящих из небольшого
числа реакций, например только из одной световой и одной темно-
вой реакции, могли привести лишь к весьма скромным результатам,
Насыщение двуокисью углерода достигается при давлениях, в 3
или 4 раза превышающих парциальное давление двуокиси углерода
в свободной атмосфере (см. табл. 39). Насыщение светом дости-
гается при интенсивностях света, соответствующих 10—100% пол-
ного полуденного солнечного света (см. табл. 41), и, таким образом,
в среднем примерно равняется той интенсивности света, действию
которой подвергаются в природе свободно растущие растения. Опти-
мальная температура фотосинтеза несколько выше средней лет-
ней температуры, по крайней мере в умеренных зонах. Таким обра-
зом, приблизительная приспособленность фотосинтетического аппарата
к природным условиям очевидна. Возможно, что эта приспособленность
была приобретена в те времена, когда и средняя температура и со-
держание двуокиси углерода в атмосфере были несколько выше, чем
теперь. Однако этот вывод не может считаться вполне достоверным;
в редких случаях природа смогла разрешить проблему приспособления
280
Глава XXVI
идеально, обычно она удовлетворяется более или менее грубыми при-
ближениями. Современная кинетика фотосинтеза, которую растения
в состоянии были выработать в ответ на существующие в настоящее
время климатические условия, могла быть наилучшей из всех.
Происхождение системы кинетических кривых различных ти-
пов. Отличительной чертой описанных выше кривых «типа Блэкмана»
является совпадение начальных линейных частей кривых. Эта особен-
ность отличает их от других типов семейств кривых, представленных
на фиг. 134 и 135. С другой стороны, для кривых «типа Блэкмана»
(см. фиг. 133) и кривых «типа Бозе» (см, фиг. 134) общим является
наличие больших промежутков между горизонтальными ветвями насы-
щения, тогда как все кривые третьего типа (см. фиг. 135) прибли-
жаются к общему уровню насыщения.
Совпадение или разъединение уровней насыщения зависит от
того, вызывается ли насыщение одним и тем же параметром F2, к ко-
торому относится семейство кривых, или каким-либо другим парамет-
ром (F3, F4, ...). Например, в системе кривых Р = /[СО2] для раз-
личных значений интенсивности света, /, уровни насыщения будут
хорошо разделены (как на фиг. 133 и 134), если насыщение будет
обусловлено скоростью снабжения светом, однако они совпадут (как
на фиг. 135), если причиной насыщения явится ограниченная ско-
рость темнотой каталитической реакции.
Совпадение или расхождение начальных склонов у кривых за-
висит от качественных и количественных соотношений между пере-
менными Fj и F2. Если обе эти переменные влияют на скорость одной
и той же реакционной ступени, скорость вообще будет зависеть от
них обеих. Например, если Fj представляет собой концентрацию СО2,
a F2—температуру и если наклон восходящей части кривых Р= f [СО2]
определяется скоростью снабжения двуокисью углерода путем диф-
фузии, то этот наклон будет зависеть от температуры. С другой
стороны, если факторы Fj и F2 действуют на различные ступени
цепного ряда (например, если F, представляет собой интенсивность
света, a F2 — температуру) и относительные значения F, и F2 таковы,
что скорость процесса, подвергающегося воздействию F2, значительно
меньше своего максимального значения, а процесс, подвергающийся
воздействию Fn приближается к своей максимальной скорости, тогда
(и только тогда) скорость реакции будет представлять функцию лишь
одного Fj и практически не зависеть от F2.
Второе условие является важным. Вопреки обычному применению
понятия «лимитирующих факторов» или «ступеней; определяющих
скорость реакции», наличие реакционной ступени с ограниченной ма-
ксимальной производительностью влияет на скорость суммарной реак-
ции задолго до того, как скорость в действительности «достигнет
потолка». Поэтому если несколько реакционных ступеней имеют
максимальные скорости, порядок величин которых различается не
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
281
слишком сильно, скорость суммарной реакции будет зависеть от воз-
действия всех этих «возможных узких мест», а не только от «са-
мых узких».
Этот факт был признан при коррективах к «закону минимума»
Либиха, о которых мы упоминали в первом разделе настоящей главы;
некоторые количественные примеры будут даны позже в наших ана-
литических обсуждениях. Для убедительности мы можем воспользо-
ваться механической аналогией: течение воды через систему труб,
имеющих несколько сужений, зависит от диаметра и длины всех труб,
а не только от того сужения, которое создает наибольшее сопротив-
ление потоку.
Можно ожидать, что на графике с координатами Р и F{ при раз-
личных значениях F2 все кривые будут находиться справа и снизу
двух «ограничивающих» линий: одной наклонной — «крыши», соответ-
ствующей максимальной скорости самой медленной реакционной сту-
пени, скорость которой пропорциональна F, (или, более обобщенно,
является функцией А/); второй горизонтальной — «потолка», соответ-
ствующей максимальной скорости самой медленной реакционной сту-
пени, скорость которой не зависит от Fr Например, в случае кри-
вых P—f[C0.2] для различных температур две ограничивающие
кривые могут определяться соответственно максимальной скоростью
диффузии двуокиси углерода и скоростью поглощения света
(см. фиг. 137). Эти две ограничивающие линии вместе образуют
типичную «кривую Блэкмана»; однако они представляют собой
лишь пределы, внутри которых заключены действительные кинети-
ческие кривые. Положение, которое мы стремимся разъяснить, опере-
жая его аналитическое доказательсто, заключается в том, что было
бы ошибкой предполагать, будто существование «крыши» ОА и «по-
толка» ВС оставит без влияния кривые, расположенные целиком вну-
три «дозволенной области» ОХС, и лишь принудит сместиться в эту
область кривые или участки кривых, которые иначе пересекали бы
ограничивающие линии. Наоборот, существование «крыши» и «по-
толка», так же как и возможных более высоких «крыш» и «потолков»
(ОА', В'С', В"С" на фиг. 137), будет смещать вниз и направо даже
кинетические кривые, которые не приблизились бы к предельным
значениям, если бы ограничения отсутствовали.
. В последующих главах мы будем иметь подходящий случай
для аналитического доказательства этих утверждений. Например,
в гл. XXVII мы выведем кривые зависимости фотосинтеза от концен-
трации двуокиси углерода из простых схем механизма вступления
двуокиси углерода в фотосинтетическую реакцию; там мы найдем,
что последовательность двух реакций
СО24-А АСО2 А + {НСО2},	(26.1)
Ка'
282
Глава XXVI
т. е. обратимого связывания двуокиси углерода акцептором А, сопро-
вождаемого затем восстановлением комплекса АСО2 при посредстве
фотохимически образованного восстановителя {Н}, приводит к семейству
кривых Р ==/[СО2] «типа Бозе» (где Р — скорость суммарной реак-
ции). Если карбоксилирование идет настолько быстро сравнительно
с фотосинтезом, что его равновесие не нарушается даже на сильном
свету, то эти кривые будут гиперболами, расходящимися от начала коор-
динат и остающимися в постоянном отношении вплоть до насыщения.
Фиг. 137. «Крыша» и «потолок».
О А—максимальная скорость диффузионной ступени (пропорцио-
нальна [СО2]); О А'— максимальная скорость карбоксилирования
(пропорциональна (СОа]); ВС— максимальная скорость первич-
ного фотохимического процесса (равна скорости поглощения
света; не зависит от [COg]); BfCf, В" С"—максимальные скоро-
сти каталитических реакций.
Насыщение соответствует в этом случае полному карбоксилированию
всего наличного акцептора и потому достигается при одинаковом зна-
чении переменного [СО2] на всех кривых. Скорость при насыщении
повышается при увеличении концентрации восстановителя {Н} (а, сле-
довательно, также интенсивности света, так как мы считаем, что {Н}
образуется при посредстве света).
Далее мы увидим, что если карбоксилирование является медлен-
ным процессом, скорость которого пропорциональна [СО2], то на ско-
рость суммарной реакции накладывается «крыша», пропорциональная
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
283
[С02], а именно:
^макс — ^a^olCOq],	(26.2)
где Ао — общая концентрация акцептора *, a ka—константа скорости
карбоксилирования (см. уравнение (26.1)). Мы покажем, что из-за
этой «крыши» кривые Р=/[СО2], которые иначе начинались бы с на-
клона feaA0 (т. е. оставались бы как раз внутри «дозволенной об-
ласти»), будут понижены до начального наклона вдвое меньшей вели-
чины, т. е. до kaA0/2. Подходя более обобщенно, можно сказать, что
кривые, которые при отсутствии ограничения начинались бы с наклона
afeaA0, будут понижены до начального наклона &аА0<х/(а —1-1). Таким
образом, кривые, которые в случае быстрого карбоксилирования начи-
нались бы с наклона между 10 kaA0 и 100 kaA0, будут заключены
вследствие медленного карбоксилирования между наклонами 10/11 kaA0
и 100/101 kaA0 и поэтому будут представлять картину «типа Блэк-
мана». Если продукт карбоксилирования АСО2 в уравнении (26.1)
должен подвергнуться мономолекулярному превращению прежде, чем
он сможет реагировать с {Н}, то это создает для скорости суммар-
ной реакции «потолок», не зависимый от [СО2], а именно:
Р мавс = ^1^0’	(26.3)
где kr — константа скорости постулированного мономолекулярного
превращения, Ао — общее наличное количество А. Благодаря этому
«потолку» кривые Р = /[СО2], которые иначе достигли бы значе-
ния насыщения p = ksA^ будут снижены до уровня насыщения
вдвое меньшего—Р = &1А0/2. Кривые, которые иначе достигли бы
уровня насыщения значительно выше fejAg, будут сжаты в узкое
пространство непосредственно ниже k,A0, а кривые со значениями
насыщения менее fej Ао будут все понижены. Кривая, уровень насы-
щения которой должен бы быть равным p&jA0, будет понижена бла-
годаря образованию «потолка» до уровня насыщения р&лА0/ (Р -ф-1).
Из этой формулы следует, что если бы даже скорость при насыще-
нии без ограничения была равна только 1/10 максимальной скорости
постулированного мономолекулярного превращения АСО2, она все же
была бы понижена на 1О°/о благодаря этому потенциальному «уз-
кому месту».
Внутренние факторы и «физиологическая концепция»
фотосинтеза
Представление о том, что скорость фотосинтеза должна подчи-
няться простому и строгому кинетическому закону, послужило отчасти
поводом для вывода, сделанного некоторыми физиологами растений,
* Мы опускаем квадратные скобки для обозначения постоянной концен-
трации, т. е. вместо (А]в и т. д. мы пишем Ао, Chle н т. д.
284
Глава XXVI
заключившими, что эта скорость вообще не подчиняется какому-либо
ясному кинетическому закону. Эти физиологи, разочарованные чрез-
мерными упрощениями, которыми увлекалось предыдущее поколение,
обратили свое внимание на сложные отношения между фотосинтезом
и другими явлениями жизни растений, как-то: питанием, дыханием,
ростом или старением. Предполагалось, что эти отношения обуслов-
ливаются факторами, которые часто именовались «внутренними», или
«плазматическими». Подчеркивая преимущественную важность этих
факторов при регулировании фотосинтеза, Костычев и его ученики
преуменьшали или отрицали прямое влияние легко регулируемых «внеш-
них» факторов, таких как интенсивность света, концентрация СО2 и
температура.
Этот протест против применения кинетических законов к фотосин-
тезу и подобным процессам был бы, вероятно, менее сильным, если бы
эти физиологи ясно поняли, что «закон лимитирующих факторов» ни
в коем случае не представляет собой последнего слова при физико-
химическом подходе к фотосинтезу и что в действительности поня-
тие абсолютных «лимитирующих факторов» является чуждым для ки-
нетики реакций. Между тем Чесноков и Базырина, исходя из пред-
ставления о том, что никакие другие кинетические законы здесь
неприложимы, а такие факторы, как концентрация двуокиси углерода
и интенсивность света, согласно Хардеру и Лундегорду, не являются
«подлинно лимитирующими» (т. е. часто изменение любого из них
может оказать влияние на скорость), пришли к выводу, что «подлин-
ные» лимитирующие факторы нужно искать внутри растения. Они не
учли того, что фотосинтез может совершенно не иметь «подлинных»
лимитирующих факторов.
Костычев в статье «Новые представления о фотосинтезе» [39],
предположил, что «внешние» факторы действуют на фотосинтез глав-
ным образом (если только не исключительно) косвенным путем, сти-
мулируя или тормозя некоторые неизвестные плазматические актив-
ности. Все выводы, сделанные Блэкманом (и другими до и после
него) на основании «физико-химического» подхода, были отвергнуты
Костычевым как ложные. Аналогичная точка зрения была принята
Ван-дер-Паувом [42] и сотрудниками Костычева — Чесноковым и Ба-
зыриной [35, 36, 40], которые пытались доказать экспериментально,
что два внешних фактора — концентрация двуокиси углерода и тем-
пература— не оказывают прямого действия на скорость фотосинтеза,
а третий фактор — интенсивность света •— влияет на этот процесс пу-
тем прямого воздействия лишь частично, частично же воздействует
посредством плазматического стимулирования.
В СССР имеется в настоящее время тенденция рассматривать эту
точку зрения как единственную, находящуюся в согласии с диалек-
тическим материализмом, и попытки изолировать фотосинтез от дру-
гих функций живого организма и изучать его как независимую фото-
химическую реакцию осуждаются как «механистические».
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
285
Странно, что такие необоснованные догматические утверждения,
изгнанные из физики и химии, еще встречаются в биологических
науках, особенно в СССР. Реакция в живом организме отличается от
реакции в пробирке сложностью системы, в которой она происходит.
Эта сложность обусловливается тремя причинами: невозможностью
отделить реагирующую систему от других составных частей орга-
низма; ее негомогенной структурой и ее сложным и в основном не-
известным химическим составом *. Только при помощи непредвзятых
опытов можно, несмотря на эти трудности, доказать наличие прямых
отношений между внешними кинетическими переменными и скоростью
изучаемого специфического процесса. Если это окажется возможным,
будет найден многообещающий подход к пониманию процесса, и
было бы неразумно отказываться от его использования на основании
каких-то догматических возражений.
Скорость фотосинтеза при постоянных условиях.
Полуденная депрессия и явления адаптации
Среди различных наблюдений, подтверждающих «физиологическую»
концепцию фотосинтеза, имеются следующие: различие в фотосинте-
тической активности при тождественных внешних условиях растений,
выросших в разных местообитаниях; адаптация фотосинтетической актив-
* Е. Рабинович совершенно прав, отмечая, что «попытки изолировать
фотосинтез от других функций живого организма и изучать его как неза-
висимую фотохимическую реакцию» осуждаются советскими биологами как
механистические. Одиако суждение о том, какие именно взгляды рассматри-
ваются в СССР как находящиеся в согласии с диалектическим материализ-
мом, является, по меньшей мере, домыслом автора. Действительно, С. П. Ко-
стычев и его ученики в своих работах защищали ту точку зрения, что такие
факторы, как концентрация двуокиси углерода или интенсивность света,
в ряде случаев влияют иа процесс фотосинтеза не прямо, изменяя скорость
подтока исходного продукта (СО2) или энергии (свет), а косвенно как «раз-
дражители», действующие через посредство далеко ие ясного в своем зна-
чении «протоплазматического фактора».
Одиако другие советские исследователи никогда не рассматривали эту
точку зрения «как единственную, находящуюся в согласии с диалектиче-
ским материализмом». Наоборот, одностороннюю попытку заменить материа-
листические представления о прямом и непосредственном влиянии важнейших
факторов жизни на основные жизненные процессы неясными соображениями
о действии этих факторов как «протоплазматических раздражителей» ни
в коем случае нельзя считать правильными решением сложной проблемы.
Советские биологи считают единственно правильными следующие пред-
ставления.
Любой фактор жизни прежде всего прямо и непосредственно влияет на
процессы, с которыми он наиболее тесно связан по существу дела (напри-
мер, концентрация двуокиси углерода, интенсивность света — на фотосинтез).
В основе этих влияний и взаимодействий лежат прежде всего общие физи-
ческие и физико-химические закономерности. Однако количественное и ка-
чественное проявление этих влияний усложняется тем, что на любое воз-
действие живой организм, его орган, ткань, клетка реагируют не только
изменением хода одиого-единственного процесса или реакции, но отзыва-
286
Глава XXVI
ности при изменении условий: более сильный или более слабый свет,
более высокая или более низкая температура (Хардер [50] и Брил-
лиант [72]), влияние старения и изменения фотосинтетической актив-
ности при постоянных внешних условиях (утомляемость, полуденная
депрессия и т. д.). Не только растения различных видов ведут себя
по-разному при одинаковых внешних условиях, но различия найдены
также между «световыми» и «теневыми» растениями одного и того
же вида, «световыми» и «теневыми» листьями одной и той же ветки
и даже между различными частями одного и того же листа (Драутц [54]).
Фотосинтетическая активность растения часто сильно изменяется
в течение дня, не говоря уже о целом сезоне. Наблюдения над днев-
ными изменениями играли особо важную роль в развитии «новых
представлений» Костычева о фотосинтезе.
Подходя априорно, можно было бы ожидать, что фотосинтез после
восхода солнца будет постепенно увеличиваться до тех пор, пока
интенсивность света достигнет уровня, соответствующего насыщению,
и затем (если только облачность не уменьшит интенсивность освеще-
ния ниже уровня насыщения) будет оставаться более или менее по-
стоянным до наступления вечернего падения. Однако в действитель-
ются как качественно своеобразное единое целое, как целостная качественно
своеобразная живая система.
Именно это обстоятельство н делает реакции живых организмов на
внешние воздействия более сложными и своеобразными, чем реакции любого
процесса in vitro. Именно поэтому методологически порочно стремиться уло-
жить ход биологических процессов в общие постоянные математические
схемы, даже вполне применимые для процессов в мертвой среде.
Все это, однако, совершенно не исключает для советских биологов не-
обходимость вести аналитические работы по изучению природы отдельных
физиологических процессов. В этих работах применяется все разнообразие
методов исследования: и изучение кинетики отдельных процессов, и упро-
щение и вычленение отдельных звеньев процессов или структур (например,
изучение фотохимической и ферментативной активности изолированных хло-
ропластов, хлорофилла в растворах), и математический анализ кинетических
и других количественных данных и т. д.
Однако весь арсенал этих методов советские биологи используют как
средство анализа, как средство изучения деталей сложной, единой, каче-
ственно своеобразной системы — живой материи, живого организма н его
жизненных отправлений, — а не как средство расчленения общей системы
на отдельные слагаемые, из механической суммы которых якобы и состоит
данная система.
Синтетическая же, обобщающая часть работы, которую ведут советские
биологи, заключается не в простом суммировании аналитических данных
в надежде получить представление о жизненных процессах как механиче-
ской сумме отдельных физических и физико-химических реакций, а в стрем-
лении понять сущность физиологических процессов как качественно
своеобразной системы, отличной от любых самых сложных естественных
или искусственных неорганических систем.
Только ограниченность взглядов ученого капиталистической страны или
слепая предубежденность могла заставить Е. Рабиновича вопреки здравому
смыслу приписать советским ученым систему взглядов, не имеющую ничего
общего с действительностью. — Прим. ред.
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
287
ности поведение растений оказывается часто гораздо более сложным.
Содей [6] обнаружил, что образование органического вещества листьями
может показать временное падение в середине дня; растение устраи-
вает «полуденный отдых» (фиг. 138). Мак-Лин [14] наблюдал, что
в результате этого падения может даже выделяться двуокись угле-
рода.
Измерения газового обмена Костычевым и его сотрудниками
[21, 22, 29, 31, 32, 33, 40, 47], проведенные в весьма разнооб-
разных климатических условиях — от Центральной Азии до арктиче-
ских морей — как с водорослями, так и с наземными растениями,
показали, что явление «полуденной депрессии» широко распространено
в растительном мире, однако свое крайнее выражение (обращение
Фиг. 138. Дневной ход фотосинтеза у двух
листьев Eriobotrya japonica при естественных
условиях [49].
I—30 мая; II—6 июня.
фотосинтеза и выделение двуокиси углерода) оно принимает только
при определенных условиях, особенно в жарком климате.
Дневной ход фотосинтеза привлек внимание также многих других
исследователей [23, 26, 28, 45, 46, 49, 51, 55, 57, 59, 63, 64, 65,
71, 86] *.
Хардер с сотрудниками [34, 45], Шодер [41] и Драутц [54] так
же, как и Нейвонер [64], пытались объяснить дневные кривые одно-
временным изменением нескольких внешних факторов (интенсивность
света, влажность и температура). Им удалось это лишь отчасти, и
они должны были признать, что значительная часть наблюдаемых из-
менений остается без объяснения и должна быть приписана неизвест-
ным «плазматическим» факторам. Это особенно отчетливо показано
в наблюдениях Фил^цера [63], который нашел, что листья, сорванные
* Обстоятельные исследования в этой области проведены над свеклой
советским ученым Е. Ф. Вотчалом и его учениками. Большое внимание
этому вопросу уделено и многими другими советскими исследователями.—
Прим. ред.
288
Глава XXVI
с деревьев в различное время дня и затем исследованные при по-
стоянных условиях в лаборатории, обнаруживают такие же периоди-
ческие изменения в фотосинтетической продуктивности, как и листья,
не сорванные с растения и подвергавшиеся естественной смене дня и
ночи. Совершенно так же Маскелл [26] нашел, что сорванные листья
лавровишни, освещаемые постоянным светом в течение 24 час., обна-
руживают глубокую депрессию фотосинтеза в ночные часы; таким
образом, не только «полуденная депрессия», но также и «ночной сон»
находится, повидимому, под влиянием внутренних факторов,
Гейгер [23], Маскелл [26, 27] и Столфельт [57] считали, что непо-
средственной причиной полуденной депрессии является закрывание
устьиц. Маскелл [26] заметил, что ночной депрессии фотосинтетиче-
ской активности у непрерывно освещаемых листьев можно избежать
путем увеличения парциального давления двуокиси углерода («про-
давливание двуокиси углерода через полузакрытые устьица») и что
непрерывно освещаемые листья гортензии (устьица которой почти не
изменяются) показывают лишь слабое понижение фотосинтеза в ноч-
ные часы. Как Маскелл [27], так и Столфельт [57] обнаружили па-
раллелизм между средней открытостью устьиц и скоростью фотосин-
теза (см. гл. XXVII).
Таким образом, повидимому, является правдоподобным, что дневной
ритм фотосинтеза у высших наземных растений в большой степени
обусловливается устьичными движениями. Однако остается неразрешен-
ным вопрос о том, что же является причиной закрывания устьиц в
определенные часы дня, хотя освещение и снабжение двуокисью угле-
рода сохраняются в это время постоянными?
Одним из «внутренних факторов», который часто обсуждался в связи
с этой проблемой, является накопление растворимых или нераствори-
мых углеводов (относительно влияния избытка углеводов на скорость
фотосинтеза см. т. I, гл. ХШ). Полуденная депрессия, может быть,
представляет собой перерыв, во время которого эти вещества пере-
мещаются или частично сжигаются. Это объяснение, впервые выдви-
нутое Костычевым, Кудрявцевой, Моисеевой и Смирновой [21] и
Костычевым, Базыриной и Чесноковвим [29], было позднее отвергнуто
Чесноковым и Базыриной [36], обнаружившими, что растения с со-
вершенно различным дневным ходом передвижения веществ могут,
тем не менее, показать одинаковый дневной ход фотосинтеза. Именно
на основании таких данных Костычев [39] в конце концов пришел
к своему одностороннему выводу о чисто физиологическом регулиро-
вании фотосинтеза *.
* Нужно отметить, что в данном случае Е. Рабинович преувеличивает
односторонний характер точки зрения С. П. Костычева, который не отрицал
прямого влияния факторов среды на процесс фотосинтеза. Правильное истол-
кование указанных фактов таково: физиологическое состояние растения,
листьев, фотосинтетического аппарата изменяет общий уровень и «нормы
реакции» процесса фотосинтеза на основные факторы среды; нередко влия-
Внешние и внутренние факторы, при фотосинтезе 289
Этому выводу Костычева противоречат даннные Курсанова [49],
Гуттенберга и Бура [55] и Мёнха [59], которые подтвердили су-
ществование связи между накоплением сахаров и крахмала и днев-
ным ритмом фотосинтеза. Согласно Гуттенбергу и Буру [55] и Ней-
вонеру [64], нельзя, однако, дать общего объяснения для всех случаев
полуденной депрессии. В некоторых случаях (например, у молодых
листьев весной) можно ясно проследить подавление фотосинтетического
аппарата углеводами. В других случаях (например, у летних листьев
в жаркие дни) наиболее правдоподобное объяснение дают потеря воды
и наступающее закрывание устьиц. Одним из типов механизма полу-
денной депрессии, о котором следует помнить, является, согласно
индукционной теории Франка (см. гл. ХХХШ), накопление полуоки-
сленных продуктов, вызывающих «наркоз» фотосинтетического аппа-
рата. Падение содержания СО2 в воздухе (Бёнинг [87]) и усиление
снабжения углекислотой через корни также указываются в числе при-
чин полуденной депрессии.
Явление дневной депрессии было найдено Монфортом и Нейде-
лем [28] также у лишенных устьиц папоротников и Костычевым и
Солдатенковым [22], Курсановым [49] и Нейбауэром [65] — у водо-
рослей.
Гесснер [62] не обнаружил никакого ясно выраженного полуден-
ного понижения фотосинтеза у высших водяных растений (Elodea,
Pototnageton и др.), за исключением тенелюбивых видов или инди-
видуальных растений, у которых оно могло быть истолковано как
ния изменения физиологического состояния перекрывают прямое действие
на фотосинтез важнейших внешних факторов, изменяя его уровень даже
в направлении, противоположном тому, которого можно ждать на основании
чисто физических или химических представлений. Однако это не значит, что
такие, например, факторы, как [СО?], интенсивность света, перестают при
этом действовать как фактор прямого воздействия на процесс. Изменения
состояния данного фактора в любой момент дневного хода фотосинтеза
будут оказывать на фотосинтез соответствующее влияние, но норма и сте-
пень этого влияния могут быть чрезвычайно различны в зависимости от
общего физиологического состояния растения.
Таким образом, в любом случае конкретный ответ процесса фотосинтеза
на изменение состояния того или иного фактора среды будет результатом
как прямого действия этого фактора на основные реакции самого процесса
(в соответствии с основными законами физики и химии), так и прямого или
косвенного влияния этого фактора на другие процессы и общее физиологи-
ческое состояние растения. В конечном счете итоговые ответы фотосинтеза
на изменения данного фактора могут быть очень разнообразными и даже
противоположными по знаку.
Более или менее общим положением может быть то, что только в кратко-
временных опытах и наблюдениях мы в большей степени можем отмечать
и учитывать результаты прямого действия данного фактора на процесс фото-
синтеза. В длительных же наблюдениях (например, учет суточных ходов
фотосинтеза) общефизиологические изменения состояния растений могут из-
менять ход процесса в направлениях, мало соответствующих изменению ос-
новных факторов, которые все же не перестают оказывать на процесс и пря-
мое непосредственное влияние. — Прим. ред.
19 Зак. 4040. Е. Рабинович
290
Глава XXVi
«подавление избытком света» (см. т. I, стр. 539). Хотя незначитель-
ные колебания скорости остались без объяснения, скорость фото-
синтеза в целом у погруженных растений в опытах Гесснера обычно
соответствовала изменениям в интенсивности освещения. Максимум
фотосинтеза чаще наступал вскоре после полудня, чем в полдень, но
это можно объяснить влиянием температуры.
Чесноков, Гречихина и Ермолаева [47] нашли, что дыхание также
имеет сложный дневной ритм. Вследствие этого невозможно получить
истинную скорость фотосинтеза в различное время дня путем изме-
рения скорости выделения кислорода * и введения поправки с расче-
том на равномерное дыхание. Они также нашли, что дыхание листьев
часто бывает гораздо интенсивнее, чем это обычно предполагалось
прежде. Скорость дыхания, в особенности у молодых листьев, может
приближаться к скорости фотосинтеза. Этим объясняется, почему
скорость выделения двуокиси углерода во время полуденной депрес-
сии у некоторых растений была найдена почти равной скорости по-
требления двуокиси углерода при фотосинтезе до и после этого
периода покоя.
Как бы ни были интересны явления дневного ритма фотосинтеза
и подобные ему «физиологические» явления (вроде старения, уто-
мляемости и т. д.), основной вопрос при кинетическом изучении фото-
синтеза состоит не в том, как объяснить эти отклонения, а в том,
как их исключить для того, чтобы фотосинтез мог идти с равномер-
ной и воспроизводимой скоростью. Такого рода постоянство трудно
осуществить в полевых опытах. Бойсен-Йенсен и Мюллер [30],
Бойсен-Йенсен [53] и Митчелл [58] утверждали, что если природные
условия сравнительно постоянны, то скорость фотосинтеза остается
устойчивой. Однако Максимов и Красносельская-Максимова [25] и
Box [68] обнаружили, что продуктивность фотосинтеза листьев на
дереве при постоянных внешних условиях колеблется в последующие
4-минутные периоды на zt 1ОО°/о от средней величины за 1 час. Из
этих наблюдений Костычев [39] делает вывод, что измерять фото-
синтез за короткие промежутки времени нецелесообразно и минималь-
ный промежуток, в течение которого фотосинтез должен измеряться,
соответствует целому дню**.
Штокер, Рем и Петцольд [67] нашли, что быстрые изменения
скорости фотосинтеза в природных условиях (с периодом колебания
в несколько минут) обусловливаются такими же колебаниями в кон-
центрации двуокиси углерода в воздухе.
Скарс, Лёви и Шоу [86] заметили, что при определении фотосин-
теза у срезанных листьев путем измерения инфракрасного поглощения
*	Или поглощения СО2. — Прим. ред.
*	* Речь идет о тех случаях, когда ставится задача изучения продуктив-
ности фотосинтеза как фактора урожайности в полевых условиях. — Прим,
ред.
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
291
двуокиси углерода иногда обнаруживаются непонятные правильные
колебания с периодом около 1 часа.
Когда растения исследуются в природных условиях, явно коле-
блющиеся данные можно отнести за счет трудности контролирования
всех влияющих на фотосинтез факторов. Тем не менее и при опре-
деленных лабораторных условиях способность растений к фотосинтезу
с постоянной скоростью вызывает также большое сомнение. Опыты
с низшими растениями, например одноклеточными водорослями вроде
Chlorella, дали сравнительно удовлетворительные результаты. Если
строго соблюдать определенные предписания относительно культуры
и ухода за этими водорослями, то они будут сохранять постоянную
и воспроизводимую скорость образования кислорода в течение многих
часов (мы здесь не будем касаться кратковременных индукционных
явлений, обсуждаемых в гл. ХХХШ).
Согласно Пратту [80], в случае применения щелочных буферов
постоянство скорости зависит от природы присутствующего катиона.
Так в 0,1 М NaHCO3 в течение первых 10 час. скорость падает,
а затем становится постоянной; в 0,1 Ж КНСО3 она возрастает за
первые 10 час., остается постоянной в следующие 5 час. и затем
быстро падает; в 0,065 М NaHCO3-(- 0,035 М КНСО3 скорость
остается постоянной в течение первых 15 час., а затем начинает
падать (см. фиг. 126).
Ноддак и Эйхгоф [70] установили, что для данной суспензии
Chlorella постоянная скорость фотосинтеза воспроизводима с колеба-
ниями в пределах zt Ю°/о и что эти отклонения могут быть умень-
шены еще больше 'путем предварительной адаптации клеток к той
интенсивности света, при которой они должны исследоваться.
Опыты с высшими наземными или водяными растениями были
противоречивыми и сперва даже обескураживающими. Правда, Виль-
штеттер и Штоль [9] нашли, что срезанные листья, снабженные
должным образом водой и двуокисью углерода, сохраняют постоянную
скорость фотосинтеза (с колебаниями в пределах нескольких процен-
тов) в течение 4 или 6 час. даже на сильном свету (40 000 лк).
Однако Хардер [34, 50], Арнольд [38] и Жаккар и Яаг [43, 44]
утверждали, что при фотосинтезе водяных растений, находящихся при
постоянных внешних условиях, обнаруживаются сильные отклонения
и незакономерные изменения. Арнольд, например, наблюдал, что на
умеренном свету (18 000 лк) скорость фотосинтеза у Elodea падает
через 2 — 3 час. до или 1/10 своего первоначального значения;
при 4 000—6 000 лк она увеличивается в течение первых 2-—3 час.,
а затем медленно уменьшается; только при 2 000 — 3 000 лк она
остается приблизительно постоянной в течение нескольких часов.
Хардер [34, 50] провел аналогичные наблюдения и установил, что
интенсивность света должна измеряться относительно той интенсив-
ности, к которой растения были «акклиматизированы» перед опытом.
Изменяя отношение между этими двумя интенсивностями, он получил
19*
292
Г ла» a XXVI
семейство кривых, представленных на фиг. 139; некоторые из них
показывают с течением времени постоянное увеличение фотосинтеза,
другие обнаруживают такое же постоянное уменьшение. Эти изменения
во времени он истолковал с точки зрения трех плазматических дей-
ствий: «активирования», «инактивирования» и «истощения» (последние
два характеризуются продолжительностью темного
периода, необходимого для восстановления).
Однако опыты Гесснера [60] и Стиман-Ниль-
сена [77] показывают, что существенным является
только явление индукции («активирование» по тер-
минологии Хардера; подробное обсуждение этого
явления будет дано в гл. XXXIII), тогда как
«инактивирования» и «истощения» можно избе-
жать (по крайней мере, у водяных растений при
Фиг. 139. Изме-
нения фотосинте-
за (Р) во времени
у водяных расте-
ний при постоян-
ных условиях.
Числа при кривых
обозначают возра-
стающие отноше-
ния между интен-
сивностью освеще-
ния до опыта и во
время опыта.
Фиг. 140. Постоянство фотосинтеза растений
Elodea canadensis [60].
Z—растения, адаптированные к cnety; ZZ—растения, адап-
тированные к тени.
освещенности около 40 000 лк) путем устранения
застоя воды и связанного с ним уменьшения в снаб-
жении двуокисью углерода. Вычислениями Ромелла
[24] было впервые доказано, что в стоячей воде,
в непосредственной близости к ассимилирующим
растениям, легко может произойти уменьшение кон-
центрации двуокиси углерода (даже если СО2 со-
держится в резерве в виде карбонатов или бикарбонатов). На фиг. 140,
заимствованной у Гесснера, показан ход фотосинтеза двух веточек
Elodea (одной адаптированной к сильному, другой — к слабому свету) в
непрерывно обновляемой среде. Обе показывают хорошее постоянство
в течение многих часов непрерывного освещения (после начального
индукционного периода у теневого растения). Некоторые опыты Гес-
снера продолжались свыше 6 дней, причем колебания в скорости
оставались в пределах ±25%.
Если к этим результатам Гесснера, полученным с водяными ра-
стениями, мы добавим результаты, полученные Варбургом с однокле-
точными водорослями, а также результаты Гувера, Брэкета и Джон-
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
293
стона [52], Митчелла [58] и Бенинга [87] с высшими наземными ра-
стениями, то увидим, что в отношении способности к равномерному
фотосинтезу в течение значительного периода времени между различ-
ными классами растений существенной разницы не имеется.
При осторожном обращении с растительным материалом опыты
показывают простое прямое и обратимое реагирование скорости
Интенсивность падающего света
Фиг. 141. Газовый обмен клеток Chlorella нз
культур различных возрастов (в воздухе, темпе-
ратура 29°) [69].
фотосинтеза, по крайней мере, на два внешних фактора: на интенсив-
ность света и на концентрацию двуокиси углерода (а в некоторых
узких пределах также и на изменение температуры).
Само собой разумеется, что «внутренние факторы» ни в коем
случае не исключаются даже в таком отборном материале. Их значе-
ние обнаруживается в индукционных явлениях, в постоянном влиянии
возраста и предшествующего воздействия и в колебаниях скорости
фотосинтеза на 10—20%, происходящих при отсутствии явных внеш-
них причин. Фотосинтетическая продуктивность у различных растений
или суспензий водорослей одного и того же вида (даже при выращи-
вании их, повидимому, в тождественных условиях) может отличаться
в 2—3 раза. Влияние возраста проявляется не только у высших
растений (см. сравнение молодых Листьев е взрослыми в табл. 45,
по Вильштеттеру и Штолю [9]), но также в культурах одноклеточных
водорослей (фиг. 141) [61, 66, 69, 78, 79, 80]. На исключение этих
294
Глава XXVI
внутренних факторов при изучении фотосинтеза у нас нет надежды,
однако возможно держать их приблизительно постоянными, по крайней
мере, в течение опыта. Кроме того, нет смысла рассматривать эти
внутренние факторы как загадочные «плазматические стимуляции»
или «торможения». Скорее всего, следует ожидать, что некоторые
из них будут сведены к накоплению или удалению некоторых хими-
ческих соединений —- катализаторов, ядов или метаболитов, — тогда
как другие окажутся связанными с изменениями в физической струк-
туре фотосинтетического аппарата, например с набуханием или сокра-
щением протоплазмы, или с изменениями в проницаемости клеточных
мембран. В гл. XXXIII мы обсудим наиболее изученный пример
действия внутренних факторов (индукционные явления) и попытаемся
истолковать их как результат инактивирования в темноте некоторых
катализаторов, необходимых при фотосинтезе, что сопровождается
накоплением метаболитов, обладающих наркотическими свойствами.
Старение и самоторможение
Зависимость между эффектом старения (в особенности у Chlorella
и постепенным накоплением тормозящего рост вещества, обладающего
определенными химическими и биологическими свойствами, была
обнаружена Праттом [78, 79]. Ввиду того что в этих наблюдениях
«внутренний фактор» фотосинтеза впервые был определен как реально
существующее химическое вещество, они будут описаны подробнее.
Образование тормозящего рост фактора в культурах Chlorella
было открыто Праттом [73, 74] в 1940 г. (см. гл. XXV). Позднее [75]
Пратт заметил, что этот фактор является веществом, которое может
быть экстрагировано из «постаревших» клеток и действие которого
может быть затем продемонстрировано на молодых культурах. Его
молекулы имеют около 15 А в поперечнике; оно растворимо в 95-про-
центном этиловом спирте, эфире, петролейном эфире и воде, разру-
шается при нагревании, действует сильнее в нейтральных, чем в кислых
растворах, и его можно легче извлечь из щелочных, чем из кислых
водных растворов. Вещество это обладает значительным антибиоти-
ческим действием на бактерии.
Растворимое в воде, тормозящее рост вещество, приготовленное
путем экстрагирования этиловым спиртом высушенных клеток из
50—60-дневных культур Chlorella vulgaris, выпаривания досуха и
экстрагирования водой, было испытано в действии на фотосинтез
клеток Chlorella из 4-дневных культур [78, 79, 80]. Фиг. 142,А
показывает, что скорость падает пропорционально логарифму коли-
чества прибавленного экстракта. Опыты при различных интенсивностях
света (фиг. 142, Б) показывают, что тормозящее вещество действует
на скорость насыщения на сильном свету, а не на квантовый
выход при слабом свете; следовательно, оно действует скорее как
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе
295
каталитический яд, чем как наркотик (различие между этими двумя
типами отравления см. т. I, гл. XII).
Развивая затем логически эти наблюдения, Пратт [80] изучил
снижение активности фотосинтеза у стареющих культур Chlorella
и нашел полный параллелизм между этим явлением и накоплением
тормозящего рост вещества. Изучение производилось в воздухе,
содержащем 5% двуокиси углерода при освещении в 15 000 лк, что,
согласно фиг. 142, Б, является достаточным для насыщения. На
фиг. 143 можно видеть падение скорости по мере старения; через
30 дней скорость стала равной только */3 первоначальной (это до-
вольно хорошо согласуется с результатами Вассинка и Катца, пред-
ставленными на фиг. 141). Дыхание также снижается в течение этого
Фиг. 142. Действие экстракта из старых клеток Chlorella на фотосинтез
молодых клеток в 0,1 М КНСО3 («единица экстракта» соответствует экстракту
из 10е сухих клеток).
А. В зависимости от концентрации экстракта; Б. В зависимости от интенсивности света;
/—контроль; Я—1,8 единицы экстракта в 1 мл\ III—180 единиц экстракта в 1 мл.
периода, но несколько меньше, чем фотосинтез (примерно до половины
первоначального значения). Концентрация хлорофилла и размер клеток
не показывают заметного изменения.
Влияние тормозящего вещества, производимого старыми культу-
рами, можно обнаружить даже во «втором поколении». Культуры,
полученные посевом клеток от 3-дневной культуры, обнаруживают
после 5-дневного роста скорость фотосинтеза на 1О°/о выше, чем
аналогичные культуры, полученные посевом материала от 23-дневной
культуры. В течение 5 дней роста число клеток увеличилось в 20 раз,
однако влияние ингибитора было заметно даже после такого раз-
ведения.
Пратт, Онето и Пратт [82] нашли, что в культурах Chlorella,
растущих при непрерывном свете в неорганической среде, тормозящий
агент (хлореллин) быстро накапливается в среде в первые 3—4 дня;
в следующие 2—4 дня концентрация его резко уменьшается, а затем
296
Глава XXVI
снова возрастает, достигая постоянного уровня примерно через 2 не-
дели. Уменьшение концентрации хлореллина приходится на тот период,
когда увеличение числа клеток на единицу объема происходит наибо-
лее быстро. Возможно, что быстро делящиеся клетки используют
весь имеющийся хлореллин для своего метаболизма (если предположить,
что он представляет собой полезный продукт) или же производят для
этого яда противоядие (если допустить, что хлореллин является ядом
не только для бактерий, но также и для самой водоросли).
Продуцирование хлореллина изучалось совместно Спёром, Праттом
и их сотрудниками [81, 82, 83, 84]. Они работали над улучшением
методов культивирования водорослей и над экстракцией антибиотика
Фиг. 143. Уменьшение скорости фотосинтеза у
Chlorella vulgaris с возрастом [78—80]. Скорость
в четырехдневных культурах (принятая иа фигуре
за единицу) составляла от 8,5 до 10 лл3 О2 на 10»
клеток в 1 мин.
из среды культуры, освобожденной от клеток, а позже — из самих
клеток. Ими было найдено, что количество антибиотика, экстраги-
руемого из высушенных клеток, увеличивается при окислении послед-
них (при растирании и помещении их на свет в воздухе). Коричневое,
частично кристаллическое вещество, экстрагированное из высушенных
клеток 80-процентным метиловым спиртом, содержащим 2% КОН,
и переведенное после подкисления в петролейный эфир, не является
антибиотиком; но при окислении на свету оно обесцвечивается и ста-
новится антибиотически активным. Таким образом, живые клетки, пови-
димому, не содержат антибиотического вещества; последнее образуется
при окислении как в среде, так и в высушенных и растертых клет-
ках (тождество этих обоих антибиотических продуктов остается пока
недоказанным). Антибиотик, получаемый из клеток, является липоидом,
возможно смесью ненасыщенных жирных кислот. Чистые кислоты
этого типа (линолевая, элаидиновая и т. д.) также не обнаруживают
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе "2ST
антибиотической активности без предварительного воздействия кисло-
родом и светом, но приобретают антибиотические свойства после
такого воздействия. При самоокислении ненасыщенных соединений,
как известно, образуются перекиси, бактерицидное действие которых
давно установлено. Однако тиомочевина и иодистый калий, разрушаю-
щие лабильные перекиси, не действуют на антибиотическую активность
хлореллина. Спёр с сотрудниками отмечают значительное сходство
между хлореллином и первым антибиотиком, открытым 50 лет тому
назад (химическая природа которого до сих пор не выяснена),—
пиоцианазой из Pseudomonas ruginosa. В обоих случаях вещество,
вероятно, является смесью нескольких ненасыщенных жирных кислот.
Дальнейшее химическое изучение показало, что смесь, получаемая
путем окисления на свету жирных кислот из Chlorella, содержит
кислоты с короткой цепью (около Сп), разделимые путем дестилляции
и показывающие сравнительно сильную антибактериальную активность.
Исследования Пратта и Спёра дают подход к пониманию, по край-
ней мере, некоторых явлений в фотосинтезе, приписываемых обычно
не определяемым точнее «плазматическим», или «внутренним», факторам.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Liebig J., Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und
Physioiogie. I Aufl., Braunschweig, 1840.
2.	Liebig J., Ann. Chem. (Liebig's), 46, 58 (1843).
3.	Sachs J., Jahrb. wiss. Botan., 2, 338 (1860).
4.	Blackman F. F., Ann. Botany, 19, 281 (1905).
5.	Mitscherlich E. A., Landw. Jahrb., 38, 537 (1909).
6.	Thoday D., Proc. Roy. Soc. London, B82, 443 (1910).
7.	Mitscherlich E. A., Landw. Jahrb., 49, 335 (1916).
8.	Brown W.-H., Haise G. W., Philippine J. Sci., C12, 1, 85 (1917).
9.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen fiber die Assimilation der Kohlen-
saure, Springer, Berlin, 1918.
10.	Brown W. H., Philippine J., Sci., C13, 345 (1918).
11.	Baule B., Landw. Jahrb., 51, 363 (1918).
12.	Mitscherlich E. A., Landw. Jahrb., 52, 279 (1919).
13.	Baule B., Landw., Jahrb., 54, 495 (1920).
14.	McLean F. T„ Ann. Botany, 34, 367 (1920).
15.	Mitscherlich E. A., Landw. Jahrb., 56, 71 (1921).
16.	Harder R., Jahrb. wiss. Botan., 60, 531 (1921).
17.	Lundegardh P., Svensk. botan. Tid., 15, 59 (1921).
18.	Lundegardh P., Der Kreislauf der Kohlensaure in der Natur, G. Fischer,
Jena, 1924.
19.	Bose J. Ch., Physiology of Photosynthesis, Longmans, Green, London, 1924.
20.	Romell L. G., Jahrb. wiss. Botan., 65, 739 (1926).
21.	Костычев С., Кудрявцева M., Моисеева В., Смирнова M., Planta, 1, 679
(1926).
22.	Костычев С., Солдатенков С. В., Planta, 2, 1 (1936).
23.	Geiger М., Jahrb. wiss. Botan., 67, 635 (1927).
24.	Romell L. G., Flora, 121, 125 (1927).
298
Глава XXVI
25.	Максимов Н. А., Красносельская-Максимова Т. A., Ber. deut. bot. Ges.,
46, 383 (1928).
26.	Maskell E. J., Proc. Roy. Soc. London, B102, 467 (1928).
27.	Maskell E. J., там же, 488 (1928).
28.	Montfort C„ Neydel K., Jahrb. wiss. Botan., 68, 801 (1928).
29.	Костычев С., Базырина К. и Чесноков В., Planta, 5, 6% (1928).
30.	Boysen-Jensen Р., Miiller D., Jahrb. wiss. Botan., 70, 493 (1929).
31.	Костычев С., Берг В., Известия АН СССР, 6, 611—630 (1930).
32.	Костычев С., Кардо-Сысоева Е., там же, 6, 467—498 (1930).
33.	Костычев С., Чесноков В., Базырина К., там же, 6, 599—610 (1930).
34.	Harder R„ Planta, 11, 263 (1930).
35.	Чесноков В., Базырина К., там же, 11, 457 (1930).
36.	Чесноков В., Базырина К., там же, 11, 473 (1930).
37.	Van der Honert Т. Н., Rec. trav. botan. neerland., 27, 149 (1930).
38.	Arnold A., Planta, 13, 529 (1931).
39.	Костычев С., там же, 13, 778 (1931).
40.	Чесноков В., Базырина К., Тр. биол. ин-та, Петергоф, 9, 58, (1932); Тр.
Ленингр. общ. естеств., 61, 279 (1932).
41.	Schoder A., Jahrb. wiss. Botan., 76, 441 (1932).
42.	Van der_Paanw R, Rec. trav. botan. neerland., 29, 497 (1932).
43.	Jaccard P., Jaag O., Ber. deut. botan. Ges., 50, 167 (193^).
44.	Jaccard P., Jaag O., Botan. Centr. Beihefte, 50 [1], 150 (1932).
45.	Harder R., Filzer P., Lorenz A., Jahrb. wiss. Botan., 75, 45 (1932).
46.	Hiramatsu K., Tohoku Imp. Univ. Science Repts, 11, 7, 239 (1932).
47.	Чесноков В., Гречихина О., Ермолаева И., Тр. биол. ин-та, Петергоф,
9, 157 (1932); Тр. Ленингр. общ. естеств., 61, 377 (1932).
48.	Schanderl Н., Kaempfert W., Planta, 18, 700 (1933).
49.	Курганов А. Л., Planta, 20, 535 (1933).
50.	Harder R., там же, 20, 699 (1933).
51.	Bosian G., Z. Botan., 28, 209 (1933).
52.	Hoover W. H., Johnston E. S„ Brackett F. S., Smithsonian Inst. Publ.
Misc. Collections, 87, № 16 (1933).
53.	Boysen-Jensen P., Planta, 21, 368 (1934).
54.	Drautz R., Jahrb. wiss. Botan., 82, 171 (1935).
55.	Guttenberg H., Bnhr H., Planta, 24, 163 (1935).
56.	Singh B. N., Lal K. N., Plant Physiol., 10, 245 (1935).
57.	Stalfelt M. G., Pl anta, 23, 715 (1935).
58.	Mitchell J. W., Botan. Gaz., 98, 87 (1936).
59.	Mdnch L, Jahrb. wiss. Botan., 85, 4 (1937).
60.	Gessner F„ там же, 85, 267 (1937).
61.	Van Hille J. C., Proc. Acad. Sc. Amsterdam, 40, 793 (1937).
62.	Gessner F., Jahrb. wiss. Botan., 86, 491 (1938).
63.	Filzer P., там же, 86, 228 (1938).
64.	Neuwohner W., Planta, 28, 644 (1938).
65.	Neubauer H. F., там же, 28, 738 (1938).
66.	Van Hille J. C., Rec. trav. botan. neerland, 35, 680 (1938).
67.	Stocker O., Rehm S., Paetzold L, Jahrb. wiss. Botan., 86, 556 (1939).
68.	Waugh J. G„ Plant Physiol., 14, 463 (1939).
69.	Wassink E. C., Katz E., Enzymologia, 6, 145 (1939).
70.	Hoddack W„ Eichhoff H. J., Z. phys. Chem., A185, 222 (1939).
71.	Meyer B. S„ Am. J. Botany, 26, 755 (1939).
72.	Бриллиант В. А., Совет, ботаника, № 4, 28 (1940).
73.	Pratt R., Am. J. Botany, 27, 52 (1940).
74.	Pratt R., Fong J., там же, 27, 431 (1940).
75.	Pratt R„ Am. J. Botany, 29, 142 (1942).
76.	Katz E., Wassink E. C., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 269 (1942).
Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе	299
77.	Steemann-Nielsen Е., Dansk Botanisk Arkiv, 11, № 2 (1942).
78.	Pratt R„ Am. J. Botany, 30, 32 (1943).
79.	Pratt R., там же, 30, 406 (1943).
80.	Pratt R., там же, 30, 626 (1943).
81.	Spoehr H. A., Smith J. H. C., Strain H. H., Milner H. W., Hardin G. J.,
Carnegie Inst. Washington Yearbook, 43, 67 (1944).
82.	Pratt R., Oneto J. F., Pratt J., Am. J. Botany, 32, 405 (1945).
83.	Spoehr H. A., Smith J. H. C., Strain H. H., Milner H. W., Hardin G. J.,
Carnegie Inst. Washington Yearbook, 44, 66 (1945).
84.	Spoehr H. A., Smith J. H. C., Strain H. H., Milner H. W., Hardin G. J.,
Carnegie Inst. Washington Yearbook, 45, 101 (1946).
85.	Бриллиант В. A„ Фотосинтез как процесс жизнедеятельности растения,
изд. АН СССР, 1949.
86.	Scarth G. W., Loewy A., Shaw М., Canadian J. Research, C26, 94 (1948).
87.	Bohning R. M., Plant Physiol., 24, 222 (1949).
Глава XXVII
ФАКТОРЫ КОНЦЕНТРАЦИИ
В этой главе мы рассмотрим зависимость скорости фотосинтеза
и выхода флуоресценции хлорофилла от концентрации реагирующих
веществ. В обычном фотосинтезе зеленых растений единственным
реагентом, количество которого может свободно изменяться, является
окислитель — двуокись углерода. Правда, и активность восстановителя,
воды, также может меняться в известных пределах (см. т. I, гл. XIII,
стр. 341), однако влияние таких изменений является в основном
косвенным. Изменения в гидратации действуют на коллоидное состоя-
ние протоплазмы, которое, в свою очередь, влияет на все виды
активности живой клетки. В бактериальном фотосинтезе («фото-
редукция», см. гл. V, т. I), где водород, сероводород, тиосульфат
или иной неорганический или органический восстановитель занимает
место воды, концентрация восстановителя может изменяться так же
легко, как и концентрация окислителя. Таким образом, изучение бак-
терий и водорослей, адаптированных к водороду (см. т. I, гл. VI),
открывает новый подход к кинетическим исследованиям фотосинтеза.
Наконец, реакция Хилла (т. I, гл. VI, стр. 70, и т. III, гл.- XXXV)
в целых клетках или в веществе изолированных хлоропластов позво-
ляет измерить влияние концентрации заменителей окислителя (Fe+++,
хинон, хромат и т. д.) на скорость выделения кислорода.
В этой главе мы опишем также действие на фотосинтез и флуо-
ресценцию каталитических ядов, наркотиков и неорганических ионов
в зависимости от их концентрации. Раздел, посвященный этому во-
просу, представляет собой количественную разработку (содержащую
неизбежно некоторые повторения) качественных сведений, помещенных
в гл. XII и XIII т. I.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УГЛЕКИСЛОТНЫЕ КРИВЫЕ.
МОЛЕКУЛЫ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА И ИОНЫ УГЛЕКИСЛОТЫ
На углекислотных кривых, которые будут обсуждаться в этой
главе, скорость фотосинтеза представлена как функция концентрации
двуокиси углерода, в предположении, что все другие кинетические
условия остаются постоянными. Концентрация свободных, нейтральных
молекул двуокиси углерода, [СО2], будет приниматься за независимое
переменное независимо от того, проводятся ли опыты с наземными
растениями в атмосфере, содержащей газообразную двуокись угле-
Факторы концентрации
301
рода, или с водяными растениями в кислом или щелочном растворе
(в последнем случае углекислота присутствует главным образом
в виде карбонатных или бикарбонатных ионов). Такое представле-
ние выбрано потому, что нейтральная молекулярная СО2 легко вхо-
дит и выходит из клетки, тогда как ионы встречают, повидимому,
значительно большие трудности при диффузии через клеточную обо-
лочку. Следовательно, внутриклеточные концентрации всех видов
молекул двуокиси углерода, включая ионы НСО~ и СО", обусло-
вливаются, вероятно, главным образом внеклеточной концентрацией СО2
и в широких пределах не зависят от концентрации карбонатных
ионов (и, таким образом, также от pH среды, так как при данном
значении [СО2] изменения [НСО”] и [СО"] коррелируют исключи-
тельно с изменением pH).
Это удобное упрощение может, однако, оказаться чрезмерным.
В гл. VIII (т. I, стр. 204) мы рассказывали о споре между Натан-
соном [15, 17], Вильмотом [28], Ромеллом [42] и Джеймсом [47],
с одной стороны, и Ангельштейном [18] и Аренсом [55, 69, 82]—
с другой. Натансон полагал, что для фотосинтеза водяных растений
имеет значение только концентрация нейтральных молекул двуокиси
углерода; наблюдаемое иногда увеличение скорости при действии
ионов бикарбоната, приводимое Ангельштейном в качестве доказа-
тельства их доступности для фотосинтеза, было истолковано Вильмотом
и Ромеллом как буферное действие (диссоциация ионов СНО“ на ОН-
и СО2 дает обильное возмещение молекул двуокиси углерода, израс-
ходованных при фотосинтезе). Действительно, Джеймс нашел, что
влияние ионов бикарбоната на скорость фотосинтеза можно почти
полностью свести к нулю, если принять меры против истощения
двуокиси углерода, прибегнув, например, к перемешиванию. У мно-
гих растений избыток карбонатов может даже вызвать торможение,
приписываемое или щелочной реакции (см. т. I, стр. 347) или вред-
ному действию катионов, на что указывает различное действие бикар-
бонатов натрия и калия (см. т. I, стр. 348; т. II, гл. XXV). Пред-
ставление Натансона получило экспериментальную поддержку в опытах
Остергаута и Доркаса [37], в которых скорость проникновения
углекислоты внутрь гигантских клеток Valonia оказалась пропор-
циональной наружной концентрации молекул двуокиси углерода и
независимой от концентрации анионов углекислоты.
Однако Аренс [55, 69, 82] наблюдал, что на свету ионы НСО~
захватываются нижней поверхностью листьев водяных растений (таких,
как Elodea), тогда как ионы СО" или ОН- выделяются на верхней
поверхности. Он истолковал эти наблюдения как доказательство того,
что ионы НСО~ действительно проникают в клетки и используются
там для фотосинтеза полностью, согласно уравнению
НСО7 —► СО, + ОН~,
О	Л *
302
Глава XXVll
или частично, согласно уравнению
2НСО —► СО„ -ф-Н О—СО„.
В т. I (стр. 205) мы говорили, что данные Аренса нуждаются
в экспериментальной проверке и что, если они окажутся правильными,
их можно объяснить либо диффузией ионов через лист без проникно-
вения внутрь клеток, либо проникновением нейтральных молекул соли,
таких, как КНСО3, через клеточные оболочки. В связи с последней
возможностью было бы важно получить количественные сведения
о скорости проникновения бикарбоната по сравнению со скоростью
проникновения свободной двуокиси углерода. Возможно, что наблю-
дения Аренса могут быть объяснены, даже если первая скорость
составляет одну сотую или тысячную долю второй и является, таким
образом, с точки зрения кинетики фотосинтеза незначительной.
Подходя к вопросу о проницаемости скорее с количественной, чем
с качественной стороны, мы можем предвидеть, что влияние наруж-
ных концентраций [НСОГ] и [СОз-] на систему углекислоты внутри
клетки будет зависеть от того, имеем ли мы дело с приблизитель-
ным равновесием (например, при работе в темноте или на слабом
свету) или с фотостационарным состоянием, при котором углекислота
быстро расходуется при фотосинтезе. В первом случае даже очень
медленное проникновение молекул соли может вызвать значительные
изменения в составе клеточных жидкостей, тогда как во втором слу-
чае эффект такого медленного проникновения может быть совершенно
незначительным по сравнению с проникновением гораздо более бы-
строго потока молекул СО2.
Впоследствии Стиман-Нильсен [106] снова выдвинул довод Ангель-
штейна [18]. Он изучал скорость фотосинтеза как функцию концен-
трации СО2 в среде, используя два водяных растения: Myriophyllum
spicatum и Fontinalis antipyretica. У Fontinalis скорости выделения
кислорода, найденные в щелочных растворах (pH 8,3), содержащих
от 0,5 • IO-8 до 5 • 10-3 моль) л НСОГ и 0,5—10~Б моль/л СО2, едва
отличались от скорости выделения кислорода в кислых растворах
с тем же самым количеством СО2, но практически без ионов НСОГ.
Совершенно иной результат был получен с Myriophyllum-, у этого
растения выход фотосинтеза в щелочных растворах бикарбоната был
в 10 раз выше, чем в кислых растворах с тем же самым содержанием
молекул СО2! В некоторых щелочных растворах скорость выделения
кислорода у Myriophyllum была равна х/8 скорости, найденной
в кислых растворах с той же общей концентрацией *СО2] [НСОГ]).
Это было истолковано Стиман-Нильсеном как указание на то, что
Myriophyllum использует ионы НСОз" непосредственно, с производи-
тельностью, равной 1/з той, при которой используются нейтральные
молекулы СО2. Различия между обоими видами {Fontinalis и Myrio-
phyllum) Стиман-Нильсен предположительно приписал тому факту,
что летом в месте произрастания Myriophyllum pH было равно 9—10
Факторы концентраций
303
(соответственно отношению 100 НСОГ: 1 СО2), тогда как Fontinalis
была взята из местообитания, где вода содержала очень мало бикар-
боната и 30 • Ю-б моль]л свободных молекул СО2 (чрезвычайно вы-
сокая цифра, если учесть, что вода при равновесии со свободной
атмосферой содержит только около 1 • 10~3 моль'л СО2).
Поведение обоих видов показано на фиг. 144. Приведенные кри-
вые можно принять за доказательство прямого участия ионов НСОГ
в фотосинтезе Myriophyllam, точнее — за доказательство сравнительно
легкого проникновения ионов НСО^ в клетки этого растения; либо
0.5	10 10 20 30 40 50 60
Общая концентрация СО,, 10~!люль/л
0,5	10 . 5	10	15
Общая концентрация С0г, 10'3моль/л
Фиг. 144. Фотосинтез в зависимости от общей концентрации карбоната.
A. Fontinalis antipyretica, при 15 000 лк и 22°. Б. Myriophyllam spicatum, при 37 000 лк и 20°.
I—свободная GO ; II—98% СО2(НСО^")+1 (от 0,75 до 1,25)% СО2 (свободная); III—исправлено
для свободной СОа.
следует предположить, что по некоторым неизвестным причинам бу-
ферное действие бикарбоната является более сильным у Myriophyllam,
чем у Fontinalis.
Следует отметить, что кривые скорости фотосинтеза в зависимости
от концентрации свободной двуокиси углерода для обоих видов прак-
тически одинаковы; другими словами, если мы припишем формы этих
кривых истощению запасов двуокиси углерода, мы должны предполо-
жить, что оно было одинаково сильным в обоих опытах. Далее, мы
должны предположить, что добавление примерно 100 НССК( на 1 СО2
имело очень небольшое влияние на расходование СО2 у Fontinalis,
но уменьшило его примерно на J/8 у Myriophyllam. Трудно что-либо
сказать о правдоподобности этого объяснения без знания различных
относящихся сюда факторов, таких, как абсолютная скорость фото-
синтеза на единицу площади, форма обоих растений (отношение объ-
ема к поверхности; см. ниже) и интенсивность перемешивания.
В гл. XIII (т. I) мы упоминали о действии катионов на скорость
фотосинтеза, в особенности на различие между скоростями в буферах
304
Г лаб a XXV11
из карбоната натрия и карбоната калия, которое наблюдал Пирсон
и позднее Пратт. Некоторые дополнительные сведения о неблаго-
приятном действии бикарбоната натрия приводились в гл. XXV. Стиман-
Нильсен [106] расширил эти наблюдения, определив кривые зависи-
мости фотосинтеза от концентрации двуокиси углерода в растворах,
содержащих различные катионы. Он нашел, что у Myriophylltim
spicatum в кислом растворе присутствие натрия или кальция в виде
хлоридов не оказывало никакого влияния на скорость фотосинтеза,
тогда как в щелочных растворах скорость была наименьшей в би-
карбонате натрия, больше — в бикарбонате калия и еще больше —
в бикарбонате кальция. Наибольшие скорости получались в растворе,
содержащем ионы К+, Na+, Са++, С1— и БОГ-в том же отношении,
в каком их содержит вода озера, бывшего природным местообита-
нием растений. В озерной воде скорость не зависела от pH между
8,5 и 10,5, тогда как в калиевом карбонат-бикарбонатном буфере
(10-3 моль! л НСОГ) скорость медленно увеличивалась между pH 8,4
и 10,5 и резко падала до нуля при pH 11.
Эти данные могут быть истолкованы в свете представлений Сти-
ман-Нильсена о прямом участии ионов бикарбоната в фотосинтезе,
например, если допустить скорости проникновения различных ней-
тральных молекул МеНСО3 через клеточную оболочку (см. т. I,
стр. 205), однако они могли также получиться и более косвенным
и сложным путем. Согласно Пратту (см. фиг. 126), действие катионов
является в основном необратимым, и это усложнение не учитывалось
Стиман-Нильсеном.
Тсенг и Свини [109], изучая красную водоросль Gelidinium carti-
lagineum, нашли, что скорость ее фотосинтеза определяется исклю-
чительно концентрацией свободных молекул двуокиси углерода [СО2]
и не зависит от одновременного присутствия больших количеств ионов
бикарбоната, [НСОГ]^=Ю [СО2].
Руттнер [111] сравнивал лимитирующие значения pH, устанавли-
вающиеся в воде в результате продолжительного фотосинтеза раз-
личных водяных растений. Elodea {canadensis или densa), Potoma-
geton, Myriophylltim prismatum, Lemna trisulia и многие другие
водяные явнобрачные растения продолжают восстанавливать двуокись
углерода до тех пор, пока pH не поднимется значительно выше 9, тогда
как многие мхи (например, Fontinalis antipyretica) прекращают асси-
милировать двуокись углерода, когда pH достигает 9,0. При таком
pH [СО2] равна 0,4 • 10~5 моль1л-, это та область, в которой у на-
земных растений был еще ранее определен углекислотный компенса-
ционный пункт (см. ниже). Руттнер предположил, что способность
высших водяных растений к положительному фотосинтезу в присут-
ствии бикарбоната при значениях равновесия [СО2]<^1 • 10-5 моль) л
указывает на их способность использовать ионы бикарбоната непо-
средственно, а не просто как источник молекул СО2 в среде. Во вто-
рой своей статье Руттнер [114] привел доводы, подтверждающие
Факторы концентрации
305
предположение, что прекращение фотосинтеза у Fontinalis при pH 9
является результатом низкой концентрации СО2 (0,4 • 10~6 моль л, что
соответствует примерно 0,01 об. %), а не избытка щелочности. Более
ранние наблюдения Шутова [38], Боде (40] и Дама [39], обнаружив-
ших, что многие водяные растения могут повышать pH среды до таких
значений, как 11,8 (Spirogyra), можно тогда истолковать в том смысле,
что эти растения могут использовать ионы бикарбоната непосред-
ственно как источник углерода для фотосинтеза или, точнее, как
средство для переноса двуокиси углерода из среды в клетки.
Остерлинд [113,119] пошел даже дальше, чем Стиман-Нильсен и
Руттнер, утверждая, что некоторые растения используют ионы би-
карбоната более эффективно, чем молекулы двуокиси углерода. Он
наблюдал, что водоросль Scenedesmus quadricauda не растет совсем
при pH 5,5 (в растворе, аэрированном обычным воздухом). Она дости-
гает большой скорости роста при pH, равном приблизительно 6,5,
и скорость эта медленно повышается вплоть до pH 9. По мнению Остер-
линда, это увеличение не является результатом повышения щелочности,
а вызывается присутствием ионов бикарбоната. Он основывает этот
вывод на том наблюдении, что в воздухе, содержащем 5°/0 СО2, можно
получить хороший рост даже при pH 3—4. Максимальная скорость
роста была достигнута, когда [НСОз] превосходила 9 • 10~6 мольл-
между 2 и 8  10-6 мольл скорость была пропорциональна [НСОГ]-
Остерлинд полагал, что у примененной клеточной популяции не может
наступить истощения двуокиси углерода даже в растворах, не содер-
жащих бикарбонатных ионов. Он заметил также, что в присутствии
10 • 10-6 моль‘Л НСО]Г рост идет в 25 раз быстрее, чем в присут-
ствии 10 • 10-6 моль(л двуокиси углерода; отсюда он сделал вывод,
что Scenedesmas quadricauda использует бикарбонатные ионы (для роста
и потому, повидимому, также для фотосинтеза) в 25 раз эффектив-
нее, чем свободные молекулы двуокиси углерода. Позднее Остерлинд
[121] нашел, что Chlorella pyrenoidosa не использует бикарбонатов.
Не обнаружив никакого различия в содержании карбоангидразы у обоих
видов, он предположил, что различны их клеточные оболочки.
Не вдаваясь здесь в обсуждение вопроса о роли бикарбонатных
ионов (вопроса, поднятого снэва благодаря вышеописанным опытам),
мы вернемся пока к старому представлению о том, что скорость
фотосинтеза является прежде всего функцией концентрации молеку-
лярных видов СО2 в непосредственной близости к клеткам и что
основное влияние присутствия ионов НСОГ заключается в том, чтобы
препятствовать уменьшению этой концентрации во время фотосинтеза.
Цифры, собранные в табл. 39, в отличие от тех, которые приве-
дены Стиман-Нильсеном для Myriophyllum, не дают никаких указаний
на широкое, прямое участие карбонатных ионов в фотосинтезе. Мы
можем, например, отметить, что Эмерсон и Грин [88] смогли получить
насыщение двуокисью углерода при фотосинтезе в кислом фосфат-
ном буфере, когда среда содержала только 0,7 • 10~5 моль/л СО2.
20 Зак. 4040. Е. Рабинович
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕКИСЛОТНЫХ КРИВЫХ ФОТОСИНТЕЗА
Таблица 39
Вид растений	Среда	Интенсивность света, 10s ля	Концентрация СО2 (10 - 6 моль/л), требующаяся для		Ссылка на литера- туру
			полу- насыщения	полного насыщения	
	Высшие наземные растения				
Tritlcum vulgare (пшеница)	СО2 в циркулирующем воз-	0,8	0,6	2	
	духе				
V	9	«...	То же	4,0	0,8	3,2	[67]
•	9	9	•	•	» »	9.5	1,6	5,6	
Raphanus sativus (редис) . .	СО2 в циркулирующем воз-	5,73			
V	»	9	духе То же	28,65	~100	~200	[74]
9	9	9	9	9	68,76			
Saccharum (сахарный трост-					
ник) 		СО2 в циркулирующем воз-	3,751)	—	— 4	
	духе				
То же		То же	15,0	—	~4	
V					М	9	18.75	—	~6	[73]
Tritlcum (пшеница)		»	9	18,75	—	~6	
Linum (лен)		9	*»	18,75	—	~6	
Impatiens sultani		СО2 в воздухе (неподвижном)	Солнечный свет	—	7	
Plectranthris fruticosus . . .	То же	9	»	—	7	[91]
Codlneum hybridum		9	9	9	9	—	3,5	
Fontinalis antipyretica . . . .
Elodea canadensis.............
Высшие водяные растения
СО2 в воде	I Газовый свет
То же	»	,
I 200
100
| Ц9]
Fontinalis antipyrettca .... » » . •	Раствор KHCO3 To же
Chladophora 		9	9 '	.
Fontinalis antipyretica .... я	•	•	•	•	Раствор KHCOg To же
Cabomba caroliniana .... 9	»	.... »	»	....	Карбонатные буферы 9	Я 9	»
Cabomba caroliniana	 9	9		 »	V	..... »	9		 V	9	• ... .	Карбонатные буферы V	9 »	п V	» »	9
Myriophyllum spicatum . . . » » ... Fontinalis antipyretica .... » * ....	Кислый раствор СО2 Щелочной раствор (pH 8,4) Кислый раствор СО2 Щелочной раствор (pH 8,4)
Chlorella		В одо р о( Карбонатные буферы
Chlorella pyrenoidosa ....	Фосфатные буферы (pH 4,6)
V	9	....	Карбонатный буфер № 9
Hormidium flaccidum .... 9	9	....	Ток воздуха с СО2 над влаж- ными клетками То же
0,611 2 18 18	2 4 15 7,7	>32	[25]
202) 402)	!21 40]	>80	[47]
6,31 з) 21,9 282	1,5 3 8	~10 >10 >30	[84]
0,41 1,74 6,31 21,9 123,0	<1 1 2 3,5 4	~ 0,5 7,5 ~20 ~30 >30	[90]
32 32 15 15	17 1 17 10	50 10 50 35	[Ю6]
Л и			
Лампа 300- вт на расстоя- нии 20 см	0,4	9	[23]
Насыщающий	0,35	0,7	[88]
Насыщающий	~1	~10	[65].
22) 6,2 2)	0,25 0,6	2 2	[56]
Продолжение табл. 39
Вид растений	Среда	Интенсивность света, 10» як	Концентрация СОа (IO*"6 моль!л), требующаяся для		Ссылка на литера- туру
			полу- насыщения	полного насыщения	
Hormidium flaccidum ....	Ток воздуха с СО2 над влаж- ными клетками	Лампа 150 вт на расстоя- нии 13 см	0,8	1,6	[66]
Gigartina harveyana (красная) (толстая ткань) 		Карбонатные буферы	Лампа 60 вт на расстоя- нии 8 см	8	35	[70]
Geligium cartilagineum (красная)		Растворы бикарбоната	5 или 8 люминесцентных ламп	~5	>11	[Ю9]
Nitzschia palea (диатомовая) .	Карбонатные буферы	Лампа 75 вт на расстоя- нии 9 см	0,1	0,5	[72]
Пу рпурные бактерии					
Chromatlum D	 И				СО2 в фосфатном буфере (pH 6,3), 1°/о тиосульфата	Желтый свет 5 • 103 эрг'ум- • сек То же, 30 • 103 эрг/см"1  сек	25^)	О ю г- V А	[ЮО]
Chromatlum D		СО2 в фосфатном буфере (pH 6,3), 15% Н2	Желтый свет — 25 • 103 эрг/с.и5 • сек	8 4)	40 4)	[Ю1]
*) Интенсивности даны в „силе света в свечах", вероятно, означающих метр-свечи (як).
2) Относительные единицы.
3) Интенсивность измерялась в 103 як перед прохождением света через красный светофильтр; применялся только красный свет (приблизи-
тельно 22°('о интенсивности всего белого света).
*) Считая [СО3]~0,5([СОг]4-[НСО3]) при pH 6,3.
Факторы концентрации
309
В опытах с карбонатными буферами, в которых на каждую молекулу
двуокиси углерода приходилось 1 000 бикарбонатных ионов (и столько
же, или даже больше карбонатных ионов), насыщение обычно на-
блюдалось примерно при том же, или даже более высоком, значе-
нии [СО2].
Общий обзор углекислотных кривых
фотосинтеза
Необходимость наличия двуокиси углерода («связанного воздуха»)
для фотосинтеза была открыта Сенебье в 1782 г. (см. т. I, гл. II). Самые
ранние количественные исследования об отношении скорости фото-
синтеза к концентрации двуокиси углерода были сделаны Крейслером
[5,6] в 1885 и 1887 гг., Брауном и Эскомбом [10] в 1902 г. и
Требу [12] и Пантанелли [13] в 1903 г. Так как эти наблюдения
показали увеличение скорости с увеличением [СО2] в области низких
концентраций и уменьшение скорости при высоких концентрациях,
они истолковывались на основе популярной тогда «теории оптимума»
(см. фиг. 132) до тех пор, пока в 1911 г. Блэкман и Смит [19] не
сочли, что эти факты могут быть лучше объяснены с точки зрения
теории «лимитирующих факторов». Блэкман указал, что не суще-
ствует никаких доказательств наличия минимума [СО2], необходимого
для начала фотосинтеза, или наличия резкого оптимума. Вместо этого
опыты показывают широкий ряд значений [СО2], при которых скорость
остается приблизительно постоянной. Как указывалось в гл. XXVI,
Блэкман утверждал, что правильно определенные углекислотные кривые
фотосинтеза должны иметь вид ломаных линий, как показано на
фиг. 133. Было произведено много исследований с определенной
целью: доказать или опровергнуть этот «закон». Вряд ли нужно
повторять, что вся проблема должна рассматриваться не с точки
зрения аподиктического «закона», но на основании общих положений
кинетики реакций и что эти положения допускают «лимитирующие
факторы» только как приближения, полезные при некоторых крайних
условиях.
В табл. 39 дана сводка наиболее важных экспериментальных опре-
делений углекислотных кривых фотосинтеза, начиная с исследований
Блэкмана и Смита. Как общее правило, эти кривые сперва подни-
маются быстро, затем медленнее и наконец переходят в «плато»
насыщения. При чрезмерно высоких значениях [СО2] скорость может
снова падать. В табл. 39 приводятся концентрации, оказавшиеся необ-
ходимыми для того, чтобы произвести полное и половинное насыщение
двуокисью углерода в тех случаях, когда приближение к насыщению
является постепенным; вторая цифра может быть часто дана с боль-
шей точностью, чем первая.
Мы можем отметить, что концентрации СО2, наблюдаемые при насы-
щении, изменяются вшироких пределах от0,5-10~Бдо400-10-Бжоль/л.
310
Глава XXVII
Ниже будет показано, что более высокие значения, несомненно, обу-
словливаются уменьшением количества двуокиси углерода в среде,
окружающей растения, и установлением вследствие этого резкого
градиента с внешней концентрацией. Последний может быть сильно
уменьшен ускорением циркуляции или буферностью. Более низкие
Фиг. 145. Влияние концентрации двуокиси
углерода иа фотосинтез Fontinalis antipyretica
при различных интенсивностях света [25];
параметры в люксах.
значения могут обусла-
вливаться или сопроти-
влением диффузии, на
которое не влияют буфер-
ность и размешивание (на-
пример, сопротивление в
устьицах, воздушных хо-
дах, адсорбционных слоях,
клеточных стенках и ци-
топлазме), или присущими
фотосинтезу кинетиче-
скими особенностями, та-
кими, как равновесие и
скорость карбоксилиро-
вания.
В гл. XXVI при об-
щем обсуждении кинети-
ческих кривых фотосин-
теза рассматривались три
типа кривых P=f (FJ
с F2 в качестве параметра.
Они были обозначены как
первый тип (Блэкмана),
второй тип (Бозе) и тре-
тий тип (см. соответ-
ственно фиг. 133, 134 и
135). Было установлено,
что кривые первого типа
возникают тогда, когда
параметр F2 определяет максимальную скорость частного процесса,
который не зависит от независимого переменного Fj и потому вызы-
вает образование горизонтального «потолка» на кривых P—ff^F^),
не влияя на начальные наклоны этих кривых. Кривые третьего типа
возникают тогда, когда параметр влияет только на начальные наклоны
кривых, например когда он одновременно определяет скорость про-
цесса, пропорционального также независимому переменному Fr В си-
стемах кривых второго типа параметр влияет как на начальные на-
клоны, так и на уровень насыщения. При соответствующих условиях
можно рассчитывать получить углекислотные кривые фотосинтеза
всех трех типов. Теоретические примеры таких кривых были даны
в гл. XXVI. Однако до настоящего времени экспериментально были
Факторы концентрации
311
получены только такие семейства подобных кривых, в которых в ка-
честве параметра служила интенсивность света. Четыре семейства
таких кривых, которые, повидимому, являются сравнительно досто-
верными, по крайней мере, в том, что касается техники измере-
ния, воспроизведены на фиг. 145, 146, 148 и 149. Фиг. 146, взятая
•о-
1 'д“ 1' +"
--Л——ДхА—
о Интенсивность 6,2 (20*1
+ Интенсивность 6,2 (12°)
д Интенсивность 2,0 (20°)
70 80 90 100 НО 120 130 140 150
Концентрация С02, 10~3 об. %
Фиг. 146. Влияние концентрации двуокиси углерода на фото-
синтез Hormidium flaccidum при двух интенсивностях света
(6,2 и 2,0 в относительных единицах) и двух температурах (12
и 20°) [56]. 0,01 об. % СО2 соответствует 3,37-10-6 моль 1л при
20° (см. т. I, стр. 180).
из работы Ван-дер-Хонерта с Hormidium [56], имеет тесное сход-
ство с прототипом Блэкмана: при низких концентрациях все кри-
вые сливаются в одну прямую линию; близ насыщения они резко
переходят в горизонтальную часть. Эмерсон и Грин |88] дали для
Chlorella при насыщении светом одиночную кривую, которая обнару-
живает даже более раннее и более внезапное насыщение. Она подни-
мается прямолинейно до [СО2], равной 0,7 • 10-Б моль!л, а затем
внезапно становится горизонтальной (фиг. 147). На этой фигуре
максимальный выход соответствует одному объему кислорода на объем
клеток в течение каждых 3 мин. В этом опыте, чтобы получить
значение скорости фотосинтеза, впускали известное количество дву-
окиси углерода в сосуд Варбурга, сильно встряхивали сосуд и через
короткие промежутки измеряли изменения в давлении до тех пор,
пока вся двуокись углерода не оказывалась исчерпанной.
Кривые на фиг. 148 и 149, полученные соответственно для пше-
ницы и для водяного растения Cabomba, показывают более постепенный
Фиг. 147. Влияние концентрации двуокиси углерода
на фотосинтез Chlorella pyrenoidosa [88].
0,04 М фосфатгый буфер; pH 4,6; 25°.
Фиг. 148. Влияние концентрации двуокиси углерода
на фотосинтез целых растений Triticum (пшеницы)
при различных интенсивностях света [67]; пара-
метры в эрг!смг • сек.
Факторы концентрации
313
подход к насыщению, однако на них также видно совпадение всех
кривых при низких значениях [СО2|, что является характерным для
кривых «типа Блэкмана». С другой стороны, кривые Хардера для
Fontinalis (см. фиг. 145) явно относятся к «типу Бозе»: кривые,
соответствующие различ-
ным интенсивностям света,
расходятся от начала и
остаются приблизительно
в постоянном отношении;
приближение к насыще-
нию происходит весьма
постепенно и все еще не
вполне достигается при
32 • 10~Б моль)л даже на
кривой, которая соответ-
ствует освещению только
в 2 000 лк. Кривые Хар-
дера показывают, что у
его растений скорость
выделения кислорода не
была ограничена всецело
снабжением двуокисью
углерода даже при самых
низких примененных кон-
центрациях бикарбоната и
не стала независимой от
[СО2] даже при самых вы-
соких его концентрациях.
Изученный диапазон от
0,03 до 0,3% кнсо3
(или иначе от 4 • 10~Б до
40 • 10~Б моль 1л СО2; см.
т. I, стр. 185) был, од-
нако, несколько узок. Кри-
вые на фиг. 145 и 149
стремятся совпасть толь-
ко при значениях ниже
1 • 10-6 моль!л.
Позднее в этой главе,
Фиг. 149. Влияние ' концентрации двуокиси
углерода иа фотосинтез Cabomba caroliniana
[90]; параметры в люксах.
при теоретическом обсуждении, мы увидим,
что углекислотные кривые фотосинтеза, расходящиеся от начала,
можно рассчитывать получить в том случае, когда комплекс двуокись
углерода — акцептор (АСО2) насыщен двуокисью углерода неполностью,
при низких значениях [СО2] (даже в состоянии равновесия); кривые
же, совпадающие при низких значениях [СО2], можно рассчитывать
получить, если зависимость фотосинтеза от концентрации двуокиси
углерода обусловливается всецело ограничением скорости процессов,
314
Глава XXVir
которые делают двуокись углерода доступной для фотосинтеза (таких,
как освобождение СО2 из НСОГ, диффузия и карбоксилирование
какого-либо «акцептора»).
Табл. 39 показывает, что при увеличении интенсивности света
«точка полунасыщения», которую мы обозначаем через i/,[CO2], обычно
перемещается к более высоким концентрациям, так что на очень силь-
ном свету она может попасть далеко за 10 • 10-Б моль)л. Этот факт
может иметь значение как указание на определенные кинетические
условия (см. стр. 354 и сл.); однако часто он просто означает уве-
личение истощения двуокиси углерода вблизи клеток, когда фото-
синтез идет с большей скоростью.
Углекислотный компенсационный пункт
Для каждой интенсивности света должна существовать концентра-
ция двуокиси углерода, при которой фотосинтез только компенсирует
дыхание, а общий газовый обмен равняется нулю и ниже которой
дыхание преобладает над фотосинтезом. Этот углекислотный ком-
пенсационный пункт не изучался столь систематически, как световой
компенсационный пункт (см. табл. 43); Миллер и Барр [76] первые
занялись его исследованием. В их опытах большое число различных
растений в горшках было заключено в сосуды, наполненные газовыми
смесями различного состава; растения освещались белым светом около
20 000 лк до тех пор, пока не приостанавливался весь наблюдаемый
газовый обмен, т. е. до тех пор, пока концентрация двуокиси угле-
рода не понижалась до компенсационного пункта. Было найдено, что
это происходит при температурах 5—35° тогда, когда содержание
двуокиси углерода падает примерно до 0,01%. При низких темпера-
турах этот газовый состав оставался неизменным в течение многих
часов. При 35—37°, после короткого периода постоянства, давление
двуокиси углерода снова начинало повышаться, вероятно потому,
что фотосинтез претерпевал медленную термическую задержку (см.
гл. XXXI), тогда как дыхание оставалось постоянным.
Томас, Хендрикс и Хилл [102] нашли, что у растений свеклы
при 15° фотосинтез компенсирует дыхание при [СО2] st;0,003%, т. е.
при значении примерно в три раза меньшем, чем то, которое нашли
Миллер и Барр. Габриэльсен [117] нашел, что компенсационный пункт
у листьев Sambucus, на свету интенсивностью 1 • 10* лк, лежит при
[СО2], равной 0,009 об.%.
У погруженных растений следует различать компенсационный пункт
при постоянном pH и устойчивое состояние, достигаемое после про-
должительного фотосинтеза при ограниченном снабжении двуокисью
углерода. В последнем случае с течением времени изменяются как [СО2],
так и pH (когда СО2 отнимается от НСО3- и остаются ионы ОН-)
и конечное устойчивое состояние может обусловливаться одним или
обоими этими факторами. Выше мы уже упоминали об опытах Дама [39],
Факторы концентрации
315
Шутова [38] и Руттнера [111,114], которые были истолкованы Рутт-
нером [114] и Остерлиндом [113,119] в том смысле, что некоторые
водяные явнобрачные растения и водоросли могут весьма эффективно
использовать ионы бикарбоната и поэтому наличие минимальных
концентраций свободных молекул СО2 не является необходимым для
поддержания их фотосинтеза. У этих растений фотосинтез преобладает
над дыханием даже после того, как [СО2] снижается до 10~6 моль/л
и ниже, а pH поднимается выше 10 или 11 (pH сока внутри клеток
остается приблизительно нейтральным). С другой стороны, водяные
мхи вроде Fontinalis прекращают выделять Оа, когда [СО2] умень-
шается примерно до значения 0,4- 10~Б моль/л (Руттнер [114]). Это
соответствует 0,01 об.% СО2 в атмосфере и означает, что компен-
сационный пункт у этих мхов имеет примерно то же значение, что
и у наземных растений. В устойчивом состоянии, достигаемом при
фотосинтезе водяных растений этого типа, реакция среды бывает ниже
или примерно равна pH 9.
Миллер и Барр обнаружили довольно неожиданное явление, уста-
новив, что углекислотный компенсационный пункт не зависит от тем-
пературы. Световой компенсационный пункт, напротив, сильно от нее
зависит (см. гл. XXVIII). Это различие объясняется тем, что темпера-
тура заметно влияет на дыхание, а также на фотосинтез при сильном
освещении и оказывает лишь слабое влияние (или совсем никакого)
на фотосинтез при малых интенсивностях света (см. гл. XXIX и XXX).
При измерении светового компенсационного пункта фотосинтез нахо-
дится в состоянии «светового ограничения» и потому не зависит от
температуры, тогда как при измерении углекислотного компенсацион-
ного пункта он находится в состоянии «ограничения двуокисью угле-
рода» и потому зависит от температуры. Однако точное совпадение
температурных коэффициентов дыхания и фотосинтеза, вытекающее
из данных Миллера и Барра, является, вероятно, не более, чем слу-
чайностью.
Мы предполагаем, что кривые зависимости фотосинтеза от концен-
трации двуокиси углерода, соответственно исправленные в отношении
дыхания, продолжаются плавно ниже компенсационного пункта и до-
стигают нуля, когда концентрация двуокиси углерода становится
равной нулю. Однако точное их определение в области очень низ-
ких концентраций двуокиси углерода затруднено вследствие обра-
зования двуокиси углерода при дыхании. Удалить совершенно эту
двуокись углерода (например, при помощи щелочного поглотителя)
прежде, чем часть ее будет использована в фотосинтезе, весьма
трудно, поскольку она может быть использована даже до выхода ее
из клеток (см. т. I, гл. XIX, стр. 536). Некоторые промежуточные
продукты дыхания вроде карбоновых кислот могут быть, вероятно,
использованы в фотосинтезе без превращения в свободную двуокись
углерода. В этом случае можно было бы получить небольшие пози-
тивные значения «чистого» фотосинтеза (т. е. разницы между газовым
316
Глава XXVII
обменом на свету и в темноте) даже тогда, когда концентрация
двуокиси углерода равняется нулю не только в среде, но также и
внутри клеток.
Экспериментальное изучение отношений между фотосинтезом и
дыхание.м при низких значениях [СО2] усложняется еще следующим
наблюдением: если удаление двуокиси углерода происходит очень
эффективно, то при действии света может наступить фотоокисление,
и потребление кислорода на свету становится больше, чем в темноте
(вместо того, чтобы уменьшаться вследствие реассимиляции продуктов
дыхания).
Таким образом, мы имеем здесь дело с трудно разрешимой ди-
леммой: либо образующаяся при дыхании двуокись углерода удаляется
недостаточно эффективно и в этом случае освещение производит
явное сокращение в объеме дыхания, так что кажется, будто фото-
синтез происходит с положительной скоростью даже при [СО2] = О
(на фиг. 169 приведен крайний пример этого случая); либо удаление
двуокиси углерода происходит вполне эффективно — тогда наступает
фотоокисление и скорость фотосинтеза кажется отрицательной при
[СО2] = 0.
В гл. XIX (стр. 535) было отмечено, что Ноак [33—35] наблюдал
главным образом первое явление, т. е. явное световое торможение
дыхания в атмосфере, лишенной СО2, тогда как Вап-дер-Паув [66]
открыл, а Франк и Френч исследовали далее второй эффект — фото-
окисление в листьях, голодающих в отношении двуокиси углерода.
Фотоокисление можно предотвратить, применяя слабые интенсив-
ности света и короткие экспозиции. Вопрос о том, возможно ли
избежать реассимиляции части образующейся при дыхании двуокиси
углерода (или ее предшественников), является спорным.
Габриэльсен [117] наблюдал, что в сравнительно толстых световых
листьях Sambacas при пропускании воздуха, лишенного двуокиси
углерода, реассимилировалось до 56% дыхательной углекислоты,
но в более тонких теневых листьях реассимиляция была незначи-
тельна. Реассимиляцию можно сократить понижением температуры
(например, до 5°) и путем увеличения скорости течения газа (напри-
мер, до 33 см^м* • мин). Габриэльсен сделал из этих наблюдений
вывод, что нет никаких указаний на фотохимическое восстановление
предшественников свободной двуокиси углерода, образующейся при
дыхании, так как в противном случае это обнаружилось бы в общем
сокращении потребления кислорода на свету.
Варбург и Бёрк с сотрудниками [118] пришли к такому же вы-
воду в опытах с сильно перемешиваемыми концентрированными сус-
пензиями Chlorella pyrenoidosa. Если в боковом отростке реакцион-
ного сосуда находилась щелочь, освещение слабым красным светом
(ниже компенсации) практически не оказывало никакого влияния на
потребление кислорода. Это указывало на то, что вся двуокись угле-
рода, образующаяся при дыхании, переходила в щелочь и там погло-
Факторы концентрации
317
щалась (совершенно не реассимилируясь на свету) и что при отсут-
ствии нормального окислителя — внешней двуокиси углерода — никакие
промежуточные продукты дыхания не использовались в качестве заме-
няющих окислителей в процессе фотосинтеза.
Мы вернемся к этим наблюдениям в гл. XXIX вследствие их зна-
чения при вычислении квантового выхода фотосинтеза на слабом свету.
Там мы отметим, что результаты Варбурга и его сотрудников могли
зависеть от прерывности освещения, вызываемой в их опытах быстрым
перемешиванием концентрированных клеточных суспензий. Большая
часть дыхательной двуокиси углерода образовывалась в то время, когда
клетки находились в тени; эта двуокись углерода могла выйти в среду
прежде, чем клетки попадали в малые освещенные зоны.
Защищая воззрения Костычева о непрямом физиологическом регу-
лировании фотосинтеза (см. гл. XXV), Базырина и Чесноков [60] в
опытах над высшими растениями пришли к выводу, что скорость
фотосинтеза совсем не является плавной функцией внешней концен-
трации двуокиси углерода. Они утверждали, что фотосинтез падает
до нуля, когда внешняя концентрация двуокиси углерода делается
ниже 0,2 • 10~5 М, тогда как выше 1 • 10~Б М изменения в [СО2]
не влияют на скорость. Они рассматривали такое поведение как до-
казательство замечательной приспособляемости растений к природным
условиям, аналогичное «действию рычага», который приводит фото-
синтетический механизм в действие, когда условия «нормальны», и
совершенно его останавливает, когда условия становятся неблаго-
приятными. Прямое влияние внешней концентрации двуокиси углерода
на скорость реакции, подчиняющейся закону действия масс, не может,
по их мнению, произвести такого эффекта — «все или ничего».
Однако утверждение о прерывности углекислотной кривой и сделанное
отсюда предположение о существовании в фотосинтезе «углекислот-
ного порога» не подтверждаются кинетическими исследованиями при
хорошо контролируемых лабораторных условиях, например при изме-
рениях, результаты которых представлены на фиг. 145, 146.
Углекислотное удобрение и торможение
Практически все кривые зависимости фотосинтеза от концентра-
ции двуокиси углерода показывают, что как нормальная концентрация
двуокиси углерода в воздухе (О,ОЗ°/о или приблизительно 1 • 10-Б 7И),
так и содержание этого газа в воде при равновесии со свободной
атмосферой не обеспечивают полного насыщения фотосинтеза на уме-
ренном или сильном свету, по крайней мере, без чрезвычайно силь-
ного размешивания. Кривые показывают, что выход фотосинтеза
в природных условиях возможно увеличить, вероятно, на 50—ЮО°/о
при помощи «удобрения углекислотой» и можно ожидать, что это
приведет к соответствующему увеличению урожая. Опыты дают воз-
можность подтвердить этот вывод.
318
Глава XXVll
К самым ранним попыткам применения углекислотного удобрения
относятся опыты Демусси [14]; первые практические успехи были
достигнуты Клейном и Рейнау [21]. Из более современных можно
упомянуть исследования Лундегорда [31], Риппеля [36], Уайта [58],
Хардера, Кепплера и Рейсса [59], Джонстона [77], Рихтера [87] и
Катунского [92] *. В многочисленных опытах культуры, удобренные
углекислотой, дали урожаи на 50—ЮО°/о больше, чем контрольные
культуры, выращенные в помещениях с нормальной концентрацией
этого газа. Удобрение углекислотой нашло некоторое практическое
применение (см., например, Рейнау [41]) при выращивании плодов и
овощей в пригородных оранжереях, которые можно сравнительно легко
и дешево «удобрять» сжатой углекислотой из цилиндров. Возможность
применения подобного удобрения в широком масштабе на открытых
полях зависит от возможности иметь дешевые газы сгорания, богатые
углекислотой, но свободные от двуокиси серы и других вредных для
растений компонентов (см. Катунский [92])**.
Томас и Хилл [116] произвели усовершенствованные измерения
скорости фотосинтеза томатов, сахарной свеклы и люцерны в поле-
вых условиях; они обнаружили непрерывное увеличение скорости даже
при 0,3—О,4°/о СО2, за исключением культуры свеклы с недостатком
серы; в этом случае свекла была, очевидно, неспособна использовать
увеличенное снабжение углекислотой. Максимальное действие в этих
опытах СО2 как удобрения выражалось в увеличении интенсивности
фотосинтеза примерно в 3 раза.
Возможность удобрения бикарбонатами играет важную роль в спеку-
лятивных предложениях по культивированию в широком масштабе
одноклеточных водорослей в качестве источника горючего или пита-
ния для человека, животных или микроорганизмов (вроде дрожжей),
производящих белки и жиры.
Как упоминалось выше, Базырина и Чесноков [60] совершенно
отрицали, что внешняя концентрация двуокиси углерода оказывает
прямое действие на скорость фотосинтеза. Базырина и Чесноков [57]
искали иного объяснения для явления удобрения углекислотой и пола-
гали, что они его нашли в стимулирующем действии двуокиси угле-
рода на рост растений. Они отрицали, что урожай полевых культур
определяется главным образом интенсивностью фотосинтеза, и указы-
вали на то, что ускоренный фотосинтез иногда вызывает неуравнове-
шенное и преждевременное развитие и таким образом скорее умень-
шает, чем увеличивает урожай. Если принять, что величина урожая
зависит от многих факторов, то несомненно, что фотосинтез является
одним из них и, вероятно, самым главным и едва ли можно считать
совпадением то, что не только возможность увеличения урожая путем
* Большие работы проведены также Н. П. Красинским, М. Б. Равняем
и 3. И. Журбицким.—Прим. ред.
** Это достигается путем «беспламенного сжигания» ряда видов топлива
по методу Равича. — Прим. ред.
Факторы концентрации
319
удобрения углекислотой, но также и приближенный максимальный
размер (50—100°/о) этого увеличения можно предвидеть на основании
формы углекислотных кривых, полученных при точных лабораторных
условиях.
Вопрос о том, насколько сильно фактическая концентрация дву-
окиси углерода, окружающей растения, отклоняется от средней нормы
(0,03%), обсуждался очень часто, и при этом высказывались весьма
противоречивые суждения. Несомненно, что концентрация двуокиси
углерода близ почвы среди густой растительности может подниматься
значительно выше среднего значения, особенно в конце ночи. Однако
чрезмерные величины вроде [СО2] >: 1%, даваемые некоторыми иссле-
дователями, мало вероятны. Мы приведем два примера наиболее надеж-
ных определений. Вердуин и Лумис [103] нашли, что на кукурузном
поле концентрация двуокиси углерода на расстоянии 100 см над поч-
вой была равна ночью 0,055—0,080°/о и быстро падала утром до
0,045%. Фуллер [112] нашел, что концентрация СО2 у почвы (0—1 см)
достигала (в 1 час дня, в июне) в лесу — 0,13%, на лугах — 0,10%
и на дне реки —0,18%. На всех этих местообитаниях концентрация
быстро убывала с увеличением высоты над почвой, приближаясь
к среднему значению (—0,04%) на расстоянии 8—10 см над почвой.
Понижение фотосинтеза при чрезвычайно высоких концентрациях
двуокиси углерода (например, при 10 об. % СО2 и больше, что
соответствует свыше 300 • 10-5 М), которое до Блэкмана рассматри-
валось как подтверждение «теории оптимума», было истолковано Блэк-
маном как эффект торможения, свойственный самому кинетическому
механизму фотосинтеза. В таком свете этот эффект обсуждался
в гл. ХШ (т. I), посвященной различным ингибиторам и стимуляторам.
Отсылая читателя к этой главе, мы только повторим здесь приведен-
ные там ссылки на работу Соссюра [1], который обнаружил само
явление, и на ряд других работ [2, 3, 8, 11, 13, 63, 64, 95]. Недав-
нее исследование Балларда над листьями Ligustrum может быть до-
бавлено к этому перечню. Оно показало, что при 17° (и при 35 000 лк)
торможение наступало при [СО2] = 2%, тогда как при низкой темпе-
ратуре (6°) никакого торможения не было заметно до 5%. Мы напо-
минаем, что Чепман, Кук и Томпсон [30] нашли, что высокие концен-
трации двуокиси углерода вызывают закрывание устьиц; поэтому
в гл. XIII (т. I) было сделано предположение, что некоторые из наблю-
даемых явлений торможения двуокисью углерода можно отнести за счет
устьиц. К другим явлениям, которыми можно объяснить тормозящее
влияние избытка двуокиси углерода, относится адсорбция СО2 на ката-
литических поверхностях («наркотизация») и, возможно, также увели-
чение кислотности клеточных жидкостей (смещение внутриклеточного
буферного равновесия).
Что закрывание устьиц не является единственной причиной тормо-
жения двуокисью углерода, видно из наблюдений Остерлинда [119].
Он обнаружил, что подобное торможение имеет место также у водо-
320
Глава XXVII
рослей, например у Scenedesmus quadricauda. Торможение роста
у этой водоросли становится заметным при 2 • 10~s моль!л и дости-
гает 5О°/о при 10 • 10~3 моль [л СО2.
Внешнее снабжение двуокисью углерода и влияние
истощения
Обсуждая табл. 39, мы отметили большие колебания в численных
значениях насыщающих концентраций двуокиси углерода и предполо-
жили, что эти колебания в большой мере могут обусловливаться исто-
щением запаса двуокиси углерода непосредственно около растений. Мы
рассмотрим теперь эту сторону вопроса более подробно.
Относящиеся сюда экспериментальные данные можно приблизи-
тельно разбить на три группы. К первой группе относятся данные
Блэкмана и Смита [19], Синга и Кумара [74] и не столь крайние
значения Джеймса [47], а также цифры, приводимые Стиман-Нильсе-
ном [106] для Fontinalis и Вассинком с сотрудниками [100, 101] для
пурпурных бактерий; все эти данные характеризуются непрерывным
возрастанием скорости фотосинтеза при увеличении концентрации дву-
окиси углерода вплоть до значений 50, 80, 200 (Синг и Кумар) или
даже 400 • 10~5 моль! л (Блэкман и Смит); последнее значение соот-
ветствует содержанию в воздухе 12°/0 двуокиси углерода! Более ран-
ние измерения Крейслера [5,6] и Брауна и Эскомба [10], не вклю-
ченные в таблицу, относятся к этой же группе.
К промежуточной группе относятся данные Хардера [25] и Смита
[84, 90], полученные для высших водяных растений, и Эмерсона и
Грина [70] — для Gigartina; здесь для насыщения двуокисью угле-
рода даются значения от 20 • 10-5 до 30 • 10~б моль)л СО2.
Наконец, в некоторых тщательных исследованиях было найдено,
что возрастание фотосинтеза при увеличении концентрации двуокиси
углерода прекращается уже между значениями 0,5 и 5 • 1й~ъмоль/л СО2
(Гувер с сотрудниками [67] и Синг и Лал [73] —у высших растений;
Ван-дер-Хонерт [56] и Ван-дер-Паув [66] — у Hormidium; Эмерсон и
Грин [88] — у Chlorella; Баркер [72]—у диатомовых водорослей).
Следует отметить, что этот низкий порядок величин был получен
как для наземных растений в быстро циркулирующем газе, так
и для водорослей в хорошо перемешиваемых кислых или щелочных
растворах.
Нет никакого сомнения в том, что большинство, если не все дан-
ные, относящиеся к первом^ типу, были обязаны своим происхожде-
нием недостаточной циркуляции и вследствие этого истощению двуокиси
углерода в среде, окружающей растения. Нет никакой уверенности и
в том, что градиенты концентраций во внешней среде не повлияли
значительно также на результаты, относящиеся ко второй и даже
к третьей группе. Наконец, кроме градиентов во внешней среде, ко-
торые можно уменьшить усиленной циркуляцией, мы должны также
Факторы концентрации
321
учесть градиенты в устьицах, в воздушных ходах, в клеточной стенке
и в цитоплазме.
Важное значение быстрой циркуляции можно понять, если учесть,
что зеленые клетки, например Chlorella, могут потреблять двуокись
углерода на сильном свету в количестве, доходящем в 1 мин. до по-
ловины их собственного объема. В клеточных суспензиях объем кле-
ток обычно составляет от 0,1 до 1 об. °/0 среды. Следовательно,
суспензия как целое использует двуокись углерода в размере своего
собственного объема в течение 200—2 000 мин. Другими словами,
скорость расходования двуокиси углерода составляет от 2 • 10“б до
2 • 10~4 моль!л • мин. Следовательно, если концентрация двуокиси
углерода в среде равна х-10-БЛ1, то вся двуокись углерода будет
израсходована в течение от 0,05х до 0,5х мин., или от Зх до ЗОх сек.
В табл. 18 (т. I) показано, что в воде, находящейся при 25° в равно-
весии с атмосферой, содержащей 0,01о/о СО2, х=0,4; для0,1°/0СО2
х— 4,1; для 1°/0 СО2 х=41 и т. д. Следовательно, клеточная сус-
пензия с кислой средой, не содержащей значительных количеств ионов
НСО3, содержащая от 0,1 до 1 об. °/0 клеток, израсходует всю свою
двуокись углерода в течение от 1,2 до 12 сек., если эта среда нахо-
дится в равновесии с воздухом, содержащим 0,01°/0 СО2; в течение
от 12 до 120 сек., если воздух содержит 0,1°/0 СО2, и т. д. Растворы
бикарбоната содержат на каждую молекулу СО2 около 100 ионов НСО^;
поэтому они могут служить источником СО2 в 100 раз дольше, чем
кислые растворы с тем же значением [СО2]. Наконец, 0,1^И карбо-
нат-бикарбонатные буферы, содержащие на каждую молекулу СО2
от 2- 105 (буфер № 1) до 330 (буфер № 11) карбонатных и бикар-
бонатных ионов, обеспечивают достаточные запасы СО2 для поддер-
жания полного фотосинтеза (в суспензиях, содержащих 0,1—1 об. °/0
клеток) в течение от 500 до 5 000 мин., или от 8 до 80 час.
Эти цифры приводят к следующим выводам. 1) Измерения ско-
рости фотосинтеза при низких концентрациях двуокиси углерода
(например, при концентрациях меньше чем 1°/0 СО2 в воздухе и
30- 10-бЛ4 в растворе), если они длятся дольше нескольких секунд,
требуют обильного снабжения двуокисью углерода либо in situ,
в виде ионов карбоната и бикарбоната, либо извне в виде боль-
ших количеств циркулирующей жидкости или газа, которые
должны все время хорошо снабжаться свежей двуокисью углерода
для замещения потерь. 2) Когда используются листья или многокле-
точные водоросли, требуется весьма энергичное перемешивание или
циркулирование для предотвращения возникновения градиента концен-
трации двуокиси углерода вокруг растений. Требуемое размешивание
зависит от соотношения между поверхностью и объемом. Это хорошо
видно из следующего примера. Гесснер [89] измерял выделение кис-
лорода у двух разновидностей Proserpinaca palustris'. одной — с ши-
рокими листьями и другой — с тонко рассеченными перистыми листьями.
21 Зак. 4040. Е. Рабинович
322
Глава XXVH
В стоячей воде первая разновидность производила гораздо меньше
кислорода, чем вторая. Размешивание сильно увеличило производи-
тельность широколистной разновидности, однако не повлияло на про-
дуцирование кислорода перистолистной. Другими словами, при отсут-
ствии циркуляции внешнее снабжение двуокисью углерода, повидимому,
было фактором, лимитирующим скорость фотосинтеза для широко-
листной, но не для перистолистной разновидности.
Для многоклеточных объектов даже наличие сильно перемешивае-
мой среды с бикарбонатным буфером, повидимому, не всегда гаран-
тирует от истощения двуокиси углерода. Вассинк [105], например, на-
шел, что фотосинтез 5-миллиметровых дисков, вырезанных из листьев,
суспендированных в карбонатном буфере № 9 (7,9 • 10~б моль!л СО2)
и встряхиваемых в аппарате Варбурга, все же был сильно «лимити-
рован в отношении двуокиси углерода». Концентрация равновесия
двуокиси углерода в атмосфере над этим буфером равняется 0,25°/о
(см. табл. 18 и 21, т. I). Увеличивая начальное содержание двуокиси
углерода в воздушном пространстве в некоторых случаях до 2°/0,
а в других даже до 9°/0, Вассинк смог получить насыщение двуокисью
углерода. Однако без точного знания размеров прибора трудно оце-
нить конечную концентрацию двуокиси углерода и pH растворов в его
опытах.
В этих опытах одной из причин чрезвычайной потребности в дву-
окиси углерода могло быть закрывание устьиц в дисках, вырезанных
из листьев. С этой точки зрения, а также с точки зрения благо-
приятных •отношений между поверхностью и объемом одноклеточные
водоросли представляют собой гораздо лучший объект. При кратко-
временных опытах или опытах на слабом свету их можно применять
в кислых растворах, предварительно уравновешенных с двуокисью
углерода при достаточно высоком парциальном давлении последней
(больше 1%; выше было вычислено, ' что суспензия, содержащая
1 об. °/0 клеток, использует при насыщении светом в течение 1,5 мин.
всю двуокись углерода, растворенную в воде, уравновешенной с воз-
духом, содержащим 1°/0 СО2). Для постановки опытов при более
сильном освещении или с большей продолжительностью кислые рас-
творы можно применять только в том случае, если содержание в них
двуокиси углерода непрерывно возобновляется, например путем пере-
мешивания с газом, в котором содержание СО2 поддерживается постоян-
ным в результате контакта со щелочным карбонатным буфером.
Более эффективным средством обеспечения запасов двуокиси угле-
рода in situ было бы непосредственное применение карбонатных бу-
феров, впервые предложенное Варбургом. Однако при этом имеются
некоторые затруднения, возникающие вследствие нефизиологической
и изменяющейся щелочности этих буферов. От 0,1 М буфера № 1
(0,5-Ю-5 моль!л СО2) к 0,1 М буферу № 11 (29-10~5 молъ>л СО2)
pH уменьшается от 11 до 8,5. Так как все живые клетки более или
менее чувствительны к избытку щелочности (хотя Chlorella и кажется
Факторы концентрации
323
замечательно стойкой к ней), это падение pH может вызвать постоян-
ное возрастание скорости фотосинтеза в области, где эта скорость
сама по себе не зависит от концентрации двуокиси углерода. Этим
можно объяснить, например, разницу между кривой, полученной Вар-
бургом [23] у Chlorella в карбонатных буферах, и кривой, получен-
ной Эмерсоном и Грином [88] в фосфатном буфере. Первая продол-
жает подниматься вплоть до 9 • 10-5 моль[л СО2 и выше, тогда как
вторая является совершенно плоской выше 0,7 • 10-5 моль1л СО2.
С другой стороны, наблюдения Руттнера [111, 114] и других
авторов над максимальным pH, который получается в необновляемой
среде после продолжительного фотосинтеза водяных растений (см. на-
чало настоящей главы), умаляют значение вредного влияния щелочности
на водоросли и погруженные явнобрачные растения, показывая, в про-
тивоположность водяным мхам, продолжение фотосинтеза вплоть до
pH И —12; измерения pH клеточного сока показывают, что он имеет
приблизительно нейтральную реакцию даже в такой сильно щелочной
среде. (Другие возможные объяснения различия между полученными
Варбургом и Эмерсоном и Грином кривыми зависимости фотосинтеза
Chlorella от концентрации СО2 см. ниже.)
Сюда же относится другой вопрос: является ли скорость превра-
щения ионов НСО3 в молекулы СО2 всегда достаточно большой для
того, чтобы обеспечить эффективное пополнение израсходованной дву-
окиси углерода. В гл. VIII (см. т. I, стр. 182) мы обсуждали предель-
ную скорость гидратации и дегидратации двуокиси углерода и под-
считали, что в кислом растворе при комнатной температуре молекула
Н.2СО3, прежде чем диссоциировать, существует в течение примерно
0,1 сек. (при мономолекулярной константе скорости дегидратации,
равной примерно 10 сек-1 при 18°; см. табл. 19, т. I). Скорость
дегидратации там не была дана, однако мы можем определить ее из
скорости присоединения ОН- к СО2, найденной экспериментально
Брикманом, Маргарин и Рафтеном [68]:
k
СО.,+ ОН“ 7=^ НСОз~,
2 1	k,
6 = 2,05 • 103(18°).
Для получения k' сперва вычисляют константу равновесия выше-
приведенной реакции из известных констант диссоциации воды
(1,04 • 10-14), ионной диссоциации Н2СО3 на Н+ и НСО^" (1,8  10-4)
и гидратации СО2 (2,2 • 10-3) и находят:
/С=6,’6' = 4,4 • Ю7;
вместе с вышеприведенным значением k это дает (для 18°):
k' = (2,05 • 103). (4,4 . ю7) = 0,47 • 10'4.
21*
324
Глава XXVII
Это означает, что ион НСО3 существует при 18° в среднем 2,7 • 104сек.
прежде, чем диссоциировать на ОН- и СО2. Поэтому бикарбонатный
буфер, содержащий у моль}л НСО^, может дать при помощи этого
дегидратационного процесса максимум 4,7 • 10~б у моль'л • сек СО2.
При pH < 10 должна быть прибавлена дегидратация через Н2СО8;
при pH 9 она может увеличить Скорость превращения НСО^ в СО2
в 2 раза (считая, что ассоциация НСО^" и Н+ в Н2СО3 совершается
практически моментально). Раствор, содержащий 0,02 моль j л НСОГ
(0,1 М буфер Варбурга № 2, pH?t:10,7), может, таким образом,
поставлять максимально 9 • 10-7 моль[л • сек СО2. Соответствующее
значение для буфера № 9 (0,085 М НСО^", pH да 9,4) равняется
5 • 10-6 моль]л  сек СО2. Сравнивая эти числа с найденными выше
максимальными скоростями фотосинтеза на сильном свету (от 2 • 10~5 до
2 • 10-+ моль': л • мин СО2 или от 3,3-10-7 до 3,3>10-6 моль^л-сек СО2
для суспензий, содержащих 0,1—1 об. °/0 клеток), мы можем кон-
статировать, что максимальное снабжение превосходит максимальное
потребление в 0,1-процентной суспензии примерно в 3 раза в буфере
№ 2 и в 15 раз в буфере № 9. В 1-процентной суспензии снабже-
ние совсем недостаточно в буфере № 2 и его едва хватает в бу-
фере № 9. Принимая во внимание неточность вычисления (например,
применение концентраций вместо активностей), этот запас ни в коем
случае нельзя. считать обеспечивающим даже в разведенных суспен-
зиях. Если же считать, что это вычисление является точным, процесс
снабжения при максимальной скорости, равной только утроенной не-
заторможенной скорости реакции, должен вызвать ясное торможение
(см. гл. XXVI). Поэтому остается открытым вопрос о том, может
ли играть какую-либо роль ограниченная скорость образования мо-
лекул СО2 из НСОГ при определении скорости фотосинтеза разве-
денных суспензий на сильном свету, по крайней мере, в более щелоч-
ных карбонатных буферах. Это «узкое место» могло, например, весьма
способствовать снижению скорости, наблюдавшемуся Варбургом [23]
у Chlorella при [СО2] < 9.10-6 УИ. (Выше упоминалось, что Эмер-
сон и Грин не замечали такого снижения до тех пор, пока [СО2] не
падала до 0,7 . 10-4 М‘, они полагали, что данные, полученные Вар-
бургом, можно объяснить вредным действием возросшей щелочности
карбонатных буферов с более низким pH.)
Эффекты истощения двуокиси углерода оказывают влияние не
только на опыты в жидких средах, но также и на измерения, про-
изводимые с наземными растениями в атмосфере с двуокисью угле-
рода, если эта атмосфера неподвижна [26] или недостаточно переме-
шивается [5, 6, 74]; это было показано Костычевым с соавторами [43]
и Чесноковым и Базыриной [60]. Здесь также могут иметь значение не
только скорость циркуляции газа, но и размер, и форма растений; влияние
ширины просвета устьиц представляет дополнительное осложнение.
Факторы концентрации
325
Суммируя сказанное, можно с достаточной уверенностью считать,
что всегда, когда обнаруживалось, что скорость фотосинтеза продол-
жала возрастать при внешней концентрации двуокиси углерода зна-
чительно выше 10 • 10~Б М, причиной этого явления было медленное
внешнее снабжение фотосинтезирующих клеток двуокисью углерода
и вследствие этого истощение восстанавливаемого субстрата. Опыты
с сильно перемешиваемыми растворами или с быстро циркулирующими
^газовыми смесями всегда показывали, что фотосинтетический аппарат
насыщается двуокисью углерода при концентрациях не выше, а иногда
и ниже, чем 1 • 10~б М. Даже в подобных опытах нельзя быть уве-
ренным в том, что устранены все эффекты диффузии, особенно у выс-
ших растений, у которых диффузионное сопротивление в устьицах,
эпидермисе и в межклетниках невозможно устранить размешиванием или
циркуляцией газа. Диффузионное сопротивление клеточных стенок
или протоплазменных слоев также остается вне влияния всех механи-
ческих средств, хотя, вероятно, его можно изменить при помощи хи-
мических агентов.
Другой источник искажения углекислотных кривых фотосинтеза
был замечен Хаулзом (работа не опубликована) и Уиттингэмом [120]
в лаборатории Бригга. Они наблюдали, что фотосинтез Chlorella в кар-
бонатных буферах с низкими значениями [СО2] был зависим от вре-
мени, если клетки были перенесены в среду с недостаточным содер-
жанием СО2 из среды с более высокой ее концентрацией (напри-
мер, 4°/0). Начальная скорость была мала; она увеличивалась в 3 раза
за 2—3 часа и затем становилась постоянной.
Если клетки культивировались в воздухе (О,ОЗ°/0 СО2), скорость
была высокой и постоянной с самого начала.
Таким образом, очевидно, что у клеток, «инкубированных» при
высокой [СО2], форма кривой будет зависеть от продолжительности
измерений.
Если углекислотная кривая фотосинтеза Chlorella определяется
при низких значениях [СО2] у клеток, адаптированных к слабой кон-
центрации двуокиси углерода, значение »/ДСО2] оказывается низким:
от 0,5 • 10-6 до 1,0 • 10~6 моль)л.
Начальное торможение фотосинтеза при низкой [СО2], обнаружи-
ваемое у клеток, подвергавшихся предварительному действию вы-
соких концентраций, можно отнести за счет явлений фотоокисления,
наблюдаемых у голодавших в отношении СО2 растений (см. т. I,
гл. XIX).
Используя представление Франка, можно предположить, что клетки,
насыщенные СО2, при помещении их в среду с недостаточным ее
содержанием и при выставлении их на свет, образуют большое коли-
чество «наркотика» (возможно, благодаря переполнению их метаболи-
тами), который задерживает фотосинтез. Для аутокаталитического
устранения этого торможения требуется, повидимому, 2—3 часа, тогда
как индукционный период длится несколько минут (см. гл. XXXIII). Что
326
Г лава XXV11
эти клетки действительно заторможены, подтверждается следующим
наблюдением; если после короткой экспозиции на свету при низкой
]СО2] снова перенести клетки в среду с высокой [СО2] (например,
в буфер № 9), они обнаруживают уменьшение скорости фотосинтеза
также и в этой среде.
Так как эти опыты проводились в карбонатных буферах, наблю-
даемые эффекты можно приписать либо изменениям [СО2], либо изме-
нениям pH.	t
Если бы даже все градиенты активности двуокиси углерода между
внешней средой и местом локализации фотосинтеза можно было устра-
нить, то все же мы должны, по теоретическим соображениям, пред-
видеть, что концентрация двуокиси углерода и в этом случае оказала
бы влияние на скорость фотосинтеза: во-первых, вследствие диссо-
циации при низком парциальном давлении С0.2 комплекса двуокись
углерода—акцептор, который, как мы предполагаем, образуется в каче-
стве промежуточного продукта фотосинтеза (см. гл. VIII, т. I); во-
вторых, вследствие зависимости скорости образования этого комплекса
(карбоксилирования) от фактора [СО2]. Оба эти соотношения будут
обсуждаться теоретически ниже; однако до тех пор, пока не будут
произведены более точные измерения, нет никакой уверенности в том,
что любые наблюдаемые кривые зависимости фотосинтеза от концен-
трации двуокиси углерода в действительности отражают одно или оба
эти существенные кинетические соотношения в большей мере, чем
случайные явления диффузии. Во всех тех случаях, когда влияние
концентрации СО2 путем усиленного размешивания можно свести
к нулю, следует считать, что это влияние связано с явлениями внеш-
ней диффузии; однако когда этим путем достигнуть дальнейшего
увеличения скорости не удается, это все еще может лишь означать,
что остаточный эффект вызывается диффузией в тех частях газового
пути, где внешнее размешивание не оказывает влияния.
При изучении снабжения растений двуокисью углерода в природ-
ных условиях не следует забывать о возможности снабжения ею через
корни.
В гл. II (т. I) упоминалось, что учение о воздушном питании
растений было вторым достижением Ингенхуза, открывшего фото-
синтез или, точнее, бывшего участником его открытия. Со времен
Либиха это учение стало основой науки о питании растений. Однако
при определенных условиях отвергнутое Ингенхузом представление
Сенебье о том, что почвенная вода может снабжать двуокисью угле-
рода корни, а через них и листья, может быть правильным. Это явле-
ние может оказать влияние на полевые определения скорости фото-
синтеза, основанные на измерении потребления двуокиси углерода из
воздуха, а также на результаты, получаемые при помощи других
методов, если наблюдаемые скорости рассматриваются в отношении
к внешней концентрации двуокиси углерода. Современное освеще-
ние этого вопроса дали Бергамаши [53], Ливингстон и Билл [71],
Факторы концентрации
327
Зюссенгут [83], Оверкотт [85, 93] и Хартель [86]*. Опыты двух
последних авторов с несомненностью потвердили, что некоторое ко-
личество двуокиси углерода может поступать из корней в листья
путем конвекции (и в меньшей степени — путем диффузии) и что
этот приток СО2 может быть использован листьями для синтеза
углеводов. Было даже сделано предположение, что это «невидимое»
снабжение СО2, осуществляемое при помощи усиленной транспира-
ции в течение жарких часов дня, может быть причиной понижения
поглощения двуокиси углерода из воздуха, которое часто наблюдается
в полдень (см. стр. 286). Вопрос о том, является ли эта гипотеза
правильной, нельзя решить без количественных исследований; но, во
всяком случае, она не может всесторонне объяснить все явления так
называемой «полуденной депрессии», во-первых, потому, что в них
имеет место также снижение в выделении кислорода, и, во-вторых,
потому, что эти явления наблюдаются не только у высших наземных,
но также и у водяных растений.
Роль устьиц
Выше было указано, что при опытах с листьями высших назем-
ных растений возникает специальный вопрос о прохождении двуокиси
углерода через устьица и воздушные ходы, по которым она должна
течь, чтобы достигнуть фотосинтезирующих клеток полисадной ткани
и губчатой паренхимы.
Спор о том, входит ли двуокись углерода в лист только через
устьица или также через кутикулу, был решен Блэкманом [7J. Он
доказал, при помощи опытов с парафинированными листьями, что
газовый обмен происходит почти исключительно через устьица, как
показано на фиг. 150. Только при очень высоком давлении двуокиси
углерода Блэкман заметил слабое проникновение газа через кутикулу.
По наблюдениям Столфельт [75], в свободной атмосфере двуокись
углерода проникает через кутикулу со скоростью, равной только от
3 до 6 • 10-8 л/оль/сл/2 • час. Течение же газа через устьица может
происходить в 100 раз быстрее, т. е. примерно 5 • 10~6 моль/см- • час,
несмотря на то, что их отверстия занимают только О,1°/о всей листо-
вой поверхности. Фриланд [107] недавно обнаружил, что в некоторых
листьях относительная скорость прохождения двуокиси углерода под
давлением через их нижнюю и верхнюю поверхности настолько мала,
что заставляет предполагать преобладание диффузии через эпидермис
над прохождением через устьица. Толщина эпидермиса может быть
важным фактором при определении относительной роли устьиц и
эпидермиса в качестве путей для вхождения двуокиси углерода в лист.
* Важные результаты в исследовании этого вопроса получили А. Л. Кур-
санов и его сотрудники {ДАНСССР, н. сер., 79, № 4, 1951). — Прим. ред.<
328
Глава XXVJl
Папоротники и другие низшие наземные растения не имеют устьиц
получать всю свою двуокись углерода через эпи-
и потому должны
Ф иг. 150. Схематический разрез через устьице
и межклетную полость листа, показывающий
направление диффузии газов при фотосинтезе.
Стрелки с черными кружками представляют
двуокись углерода; стрелки с треугольни-
ками — кислород.
дермис. Устьица также от-
сутствуют у водяных ра-
стений и водорослей, где
в их главной функции —
регулировании испаре-
ния— нет надобности.
На каждом квадрат-
ном сантиметре листовой
поверхности имеется около
10 ООО — 30 000 устьиц,
расположенных или на
обеих сторонах листа или
только на нижней его сто-
роне. Они представляют
собой продолговатые щели
обычно около 10—15 [л
длиной, окаймленные дву-
мя замыкающими клет-
ками (фиг. 150 и 151),
которые способны изме-
нять свою форму, произ-
водя тем самым открыва-
ние и закрывание щели
(фиг, 152).
Этот механизм при-
водится в действие пу-
тем изменения в равнове-
сии системы сахар —
крахмал, которое увели-
чивает тургор, когда щели
должны открыться, и
уменьшает его, когда они
должны быть закрыты.
Проблема диффузион-
ного сопротивления усть-
иц рассматривалась с
двух точек зрения. Во-
первых ставился вопрос:
Фиг. 151. Часть нижнего эпидермиса листа возможно ли для диф-
герани.	фузионного тока ДО
/—устьичная щель; 2—замыкающая кЛеТка.	10-5 моль  час СО2 (0,24
см2[час-, см. гл. XXVIII,
табл. 45) пройти через устьица на 1 см2 листовой поверхности, когда
общая открытая площадь меньше 1 мм2, а падение концентрации
Факторы концентрации
329
составляет не больше, а часто меньше, чем 1 • 10-Б моль!л, т. е. чем
обычная концентрация СО2 на открытом воздухе? Второй вопрос
формулировался следующим образом: учитывая замечательно малое
диффузионное сопротивление устьиц, возможно ли, тем не менее, счи-
тать это сопротивление важным «лимитирующим фактором» в фото-
синтезе высших растений, особенно при низких концентрациях дву-
окиси углерода?
Для того чтобы понять, почему возник первый вопрос, достаточно
вспомнить опыт Брауна и Эскомба [9], которые показали, что лист
захватывает двуокись углерода из спокойного воздуха почти так же
быстро, как той же площади поверхность щелочного раствора! После
Фиг. 152. Устьица Helleborus sp. в поперечном
сечении. Толстые линии показывают форму, прини-
маемую замыкающими клетками, когда устьице от-
крыто; тонкие линии—когда оно закрыто. В закры-
том состоянии вакуоль (заштрихована) сокращается
вследствие потери воды, вызванной уменьшением
тургора (что происходит благодаря полимеризации
сахаров).
этого было найдено, что способность к столь большой скорости диф-
фузии является общим свойством сильно перфорированных перегоро-
док, т. е. барьеров, содержащих множество мелких отверстий. Мо-
дельные опыты Зирпа и Зейбольда [51, 54] по транспирации пока-
зали, что скорость испарения из сосуда, покрытого пластинкой с от-
верстиями, может достигать трех четвертей испарения из открытого
сосуда такой же величины, если даже совокупная площадь отверстий
составляет менее 1°/0 всей площади жидкости. Теоретическое разре-
шение этого явного парадокса было дано (для случая испарения)
в 1881 г. физиком Стефаном. С этой целью он воспользовался фор-
мальным сходством уравнений, описывающих диффузионный поток
вещества через протяженную поверхность и из точечного источника,
с уравнениями силовых линий в электростатическом поле перед про-
тяженной проводящей поверхностью и вокруг малого проводника.
В этой формальной аналогии диффузионный поток соответствует
электростатической емкости проводника. Известно, что емкость
330
Глава XXVII
большого плоского конденсатора определяется площадью его пластин,
тогда как емкость малого сферического проводника определяется его
радиусом. Таким же образом величина испарения с протяженной по-
верхности пропорциональна его площади, тогда как величина испаре-
ния с малого шара пропорциональна его радиусу. То же самое при-
ложимо к сравнению диффузии через протяженную поверхность (слу-
чай, обычно рассматриваемый при выводе уравнений диффузии)
с диффузией через малое отверстие. Диффузию через перегородку
со многими отверстиями можно рассматривать таким же образом, как
и диффузию через одиночное отверстие, до тех пор пока расстояние
между отверстиями достаточно велико, по сравнению с радиусом
отверстия, для того чтобы образующиеся вокруг каждого отверстия
полусферические поверхности с одинаковой концентрацией (и ради-
альные линии потока, направленные нормально к этим поверхностям)
заметно не интерферировали между соседними отверстиями.
По совету физика Лармора этот принцип был впервые применен
Брауном и Эскомбом [9] к случаю проникновения двуокиси углерода
через устьица. Другие исследователи [16, 20, 22, 24, 27, 44, 46,
51, 54] продолжали его изучение главным образом в отношении транс-
пирации растений. В качестве типичного результата мы воспроизво-
дим таблицу из статьи Зирпа и Зейбольда [54]. В табл. 40 показаны
скорости испарения воды через перегородки с различным числом от-
верстий, но постоянной общей открытой площадью. Из предпослед-
него столбца таблицы видно, какое действие оказывает недостаточное
расстояние между отверстиями на замедление потока. Таблица ука-
зывает, что максимальная скорость дуффузии достигается асимпто-
тически, когда диаметр отверстий сокращается до 20—Юр.. Хотя
Таблица 40
ИСПАРЕНИЕ ЧЕРЕЗ ПЕРЕГОРОДКИ
(по Зирпу и Зейбольду [54])
Число отверстий	Диаметр отверстий, И	Общая открытая площадь, лг.и2	Общий периметр всех отверстий, мм	Расстояние между отверстиями, кратное от диаметра пор	Скорость испарения в спокойном воздухе х)
1	2 000	3,14	6,28			1,0
400	100	3.14	125,6	9,5	7,7
1 600	50	3,14	251,2	9,2	11,1
10000	20	3,14	628,0	9,1	11.7
40000	10	3.14	1 256,0	9,0	12,1
10000	20	3,14	628,0	4,0	5,5
Открытая поверхность		400	—	—	16,3
*) За единицу принята скорость испарения при 1 отверстии диаметром 2 000 р.
Факторы концентрации
331
совокупная площадь отверстий (3-,14 леи2) составляет менее 1°/0 общей
площади сосуда (400 мм2), скорость испарения через перегородку
с отверстиями диаметром 10 ц достигает 70°/о испарения открытого
сосуда. Эти цифры указывают на то, что размеры устьиц (5—15 у.),
вероятно, приспособлены для обеспечения требующейся скорости газо-
вого обмена через возможно меньшее число отверстий.
Теория диффузии газов через перегородки со многими отверстиями
была далее развита Вердуином [115] с применением математического
анализа для взаимно интерферирующих отверстий. Он рассчитал, что
эта интерференция должна быть обратно пропорциональной квадрату
расстояния (d) между порами:
IgQ/Qj^-fc/d2,
где %— скорость диффузии при d=oo.
Это уравнение хорошо согласуется с экспериментальными данными
Вердуина [115] и Вейсхаупта [80]. При данном отношении между
диаметром пор и расстоянием между ними интерференция должна
быть тем сильнее, чем меньше поры. Устьица настолько малы, что
диффузия через каждое из них значительно сокращена вследствие
интерференции, иногда более чем на 50% теоретического значения
для изолированных отверстий того же размера. По мере постепенного
закрывания устьиц интерференция ослабевает, и потому скорость диф-
фузии уменьшается не пропорционально уменьшению открытой пло-
щади, а медленнее.
Эти опыты с их теоретическим толкованием объясняют, каким об-
разом крошечные устьица позволяют большому объему двуокиси углерода
диффундировать в лист и обеспечивают высокую скорость фотосин-
теза.
Теперь мы обратимся ко второму вопросу: вызывает ли сопро-
тивление в устьицах значительное ограничение в снабжении двуокисью
углерода и тем_самым в скорости фотосинтеза? Закрытые устьица,
несомненно, должны сократить фотосинтез сильнейшим образом, сводя
его к использованию двуокиси углерода, которая достигает хлоро-
пластов путем диффузии через кутикулу или образуется в листе в ре-
зультате дыхания. Поэтому вопрос формулируется следующим обра-
зом: насколько широко должны быть открыты устьица для того,
чтобы не оказывать ограничивающего влияния на фотосинтез? Могут
ли эти ограничения быть значительны даже тогда, когда устьица
полностью открыты? Являются ли они «узким местом», обусловли-
вающим «тип Блэкмана» для многих кривых зависимости фотосин-
теза от концентрации двуокиси углерода? В предыдущей главе было
показано, что ограничивающее влияние какой-либо ступени реакции
обычно становится заметным задолго до того, как скорость всего
процесса в целом подходит близко к «потолку», налагаемому этой
ступенью. Поэтому сопротивление устьиц может повлиять на форму
названных кривых даже в том случае, если скорость фотосинтеза
332
Глава XXVII
составляет не более половины или четверти максимально возможной
скорости потока двуокиси углерода через устьица.
Для экспериментального изучения влияния устьиц на фотосинтез
следует измерять скорость фотосинтеза при постоянных внешних
условиях, но изменяющихся отверстиях устьиц. К сожалению, воз-
действия, применяемые для того, чтобы вызвать частичное закрыва-
ние устьиц (например, помещение в темноту или в сухой воздух),
могут оказывать прямое влияние также и на эффективность фотосин-
теза, так что к истолкованию получаемых данных необходимо подхо-
дить осторожно. Для получения надежных выводов ширина устьиц и
скорость фотосинтеза должны определяться на одном и том же
листе — условие, которое не всегда выполняется.
Соотношение между величиной просвета устьиц и скоростью фото-
синтеза было предметом изучения многих исследователей [29, 45,
48—50, 61, 62, 75, 81, 94, 96].
Костычев, Базырина и Чесноков [48] и Шодер [61] не обнару-
жили никакой корреляции между обеими величинами. Все другие
исследователи, работы которых указаны выше, пришли к заключению,
что при определенных условиях между этими величинами можно
заметить ясно выраженную зависимость.
Так, Маскелл [50] обнаружил параллелизм между дневными и
сезонными изменениями величины просвета устьиц (измерения произ-
водились порометром) и скоростью фотосинтеза. На основании тео-
ретической оценки максимальной скорости прохождения окиси угле-
рода через устьица и исходя из порядка найденных величин он сделал
вывод, что эта скорость может служить в качестве «узкого места»
в фотосинтезе.
Столфельт [75] определяла просвет устьиц путем микроскопиче-
ских измерений, применяя для этого вырезанные части листьев пше-
ницы и других зерновых злаков. Те же самые листья были исполь-
зованы и для определения фотосинтеза. Изменение величины просвета
устьиц производилось путем воздействия сухим воздухом и предва-
рительным освещением различной интенсивности. На фиг. 153 показаны
типичные результаты. Следует отметить, что на сильном свету
(26 000 лк) лимитирующее действие устьиц не исчезает даже тогда,
когда они полностью раскрыты; при интенсивности света в 8 000 лк,
напротив, это действие становится уже незаметным, едва только
устьица раскрываются хотя бы на одну четверть (2;х). Эту разницу
можно понять, так как при 8 000 лк максимальная скорость фото-
синтеза составляет только 8 MtjcM*  час СО2, тогда как при 26 000 лк
она поднимается больше чем до 20 мг!см2 • час СО2. Столфельт сде-
лала вывод, что величина просвета устьиц может легко лимитировать
снабжение двуокисью углерода в обычном воздухе, а следовательно,
и скорость фотосинтеза в природных условиях, в особенности на
сильном свету. Как и Маскелл, Столфельт подкрепляет этот взгляд
вычислениями скорости диффузии через устьица, основанными на
Факторы концентрации
333
уравнениях Брауна и Эскомба [9]. Эти вычисления подтверждают,
что максимальная скорость потока двуокиси углерода из обычного
воздуха через широко открытые устьица относится к тому же по-
рядку величин, что и максимальная скорость фотосинтеза.
Эти данные, подтверждая возможную роль устьиц в качестве «узкого
места», не означают, однако, что другие части пути между атмосфе-
рой и хлоропластами не вносят в общее диффузионное сопротивление
Ф и г. 153. Отношение между фотосинтезом и величиной просвета устьиц
листьев овса в воздухе с обычным содержанием СО2 (0,03%) [75].
А. 26 0Э0 лк. Б. 8 000 лк.
Одностороннее освещение, ток воздуха 4 ± 1 м]мин\ средние ошибки обозначены крестиками.
При наличии этих данных нельзя согласиться ни с Реннером [16],
который полагал, что сопротивление устьиц представляет собой только
незначительную долю общего диффузного сопротивления на пути
двуокиси углерода из атмосферы к хлоропластам, ни со Шрёдером,
пытавшимся доказать, что диффузионное сопротивление воздушных
ходов оказывает ограничивающее влияние на скорость фотосинтеза
высших растений, и в этом доказательстве совершенно опустившим
влияние сопротивления устьиц.
Ромелл [42] указал, что Шрёдер пренебрег не только сопроти-
влением потоку в устьицах, но также сопротивлением поверхности
раздела газ — жидкость и сопротивлением жидкой фазы между кле-
точной стенкой и хлоропластами. Ромелл вычислил, что градиент
концентрации двуокиси углерода в воздушных ходах должен быть
меньше, чем в протоплазме (между клеточной стенкой и хлоро-
пластом) и что оба эти градиента должны быть незначительны, по
334
Глава XXVII
сравнению с падением концентрации на границе фаз, обусловливаю-
щимся сравнительно малым коэффициентом распределения двуокиси
углерода в воде (этот коэффициент был вычислен по данным Бора,
относящимся к скорости удаления двуокиси углерода из водных рас-
творов).
Теоретическая максимальная скорость диффузии, вычисленная
Ромеллом, принявшим во внимание все эти факторы, оказалась зна-
чительно ниже, чем максимальная скорость фотосинтеза, достижимая
фактически для листьев на открытом воздухе. Таким образом, при-
ходится предположить [56], что коэффициент распределения двуокиси
углерода в клеточной стенке больше, чем на поверхности раздела
вода — воздух.
Интерпретация углекислотных кривых
фотосинтеза
Из приведенного выше ясно, что в настоящее время едва ли
имеется надежный экспериментальный материал для аналитической
интерпретации углекислотных кривых фотосинтеза и вряд ли можно
надеяться легко получить такой материал в будущем. Мы уже гово-
рили, что, по крайней мере, два внутренних кинетических фактора
могли бы сделать скорость фотосинтеза функцией давления внешней
двуокиси углерода: вероятная обратимость первичной ступени реак-
ции фиксации двуокиси углерода (карбоксилирования) и конечная
скорость карбоксилирования. Трудность заключается в том, чтобы
отличить действие этих «внутренних», или химических, факторов от
действия более случайных физических явлений, связанных с движе-
нием газа внутри и вне клетки.
В настоящее время мы не можем быть уверены в том, что какая-
либо из полученных углекислотных кривых приемлемо отражает эф-
фект равновесия карбоксилирования (или скорости карбоксилирования),
или в том, что практически всякая известная до сих пор зависимость
фотосинтеза от концентрации двуокиси углерода обусловлена только
диффузионными явлениями с возможными дополнительными наруше-
ниями, зависящими от времени и отмеченными выше.
Несмотря на такое неудовлетворительное состояние наших экспе-
риментальных знаний, мы хотим довести до конца ряд кинетических
выкладок и вывести общее уравнение для углекислотных кривых
в зависимости от различных факторов: медленной диффузии, лимити-
рованной скорости карбоксилирования, обратимости карбоксилирования
и ограниченного поступления световой энергии. Мы хотим, таким
образом, получить что-то вроде костяка для аналитической теории
углекислотных кривых, который мог бы оказаться полезным для пла-
нирования и интерпретирования результатов будущих кинетических
измерений, если только исследователи кинетики фотосинтеза отка-
жутся от своей привычки принимать во внимание только свои собст-
Факторы концентрации
335
венные ограниченные данные и игнорировать всякие уравнения, кроме
собственных, выведенных для данного случая.
Равновесие карбоксилирования. Двумя ступенями фотосинтеза,
скорость которых зависит непосредственно от [СО2], являются диф-
фузия двуокиси углерода из среды к месту реакции и первая хими-
ческая реакция двуокиси углерода.
В главе VIII (т. I) мы решили, что эта реакция представляет собой
нефотохимическое, каталитическое карбоксилирование. Мы обычно изо-
бражали эту реакцию как СО2->{СО2), но так как концентрация
акцептора двуокиси углерода (который до сих пор символизировался
фигурными скобками) входит во многие из нижеследующих кинети-
ческих уравнений, то этот акцептор мы будем обозначать А, а про-
дукт карбоксилирования—АСО2 (Франк и Герцфельд [98] употребляли
более определенный символ: RH для акцептора и RCOOH для про-
дукта).
Два последовательных процесса, зависящие от [СО2], могут быть
написаны следующим образом:
СО2^(СО2|„,	 (27.1)
Ад
(СО2)а+ А АСО2 (-> восстановление),	(27.2)
*'а
где (СО2)а — двуокись углерода, находящаяся в непосредственной бли-
зости от акцептора, kd — константа диффузии.
Восстановление АСО2 может быть или непосредственным фотохими-
ческим процессом, как предполагают Франк и Герцфельд (см. т. I,
фиг. 20), или нефотохимической реакцией с промежуточным продук-
том, как пострулировано во многих других схемах (т. I, гл. VII и IX).
Весьма вероятно, что даже в последнем случае скорость восстановле-
ния должна являться функцией интенсивности света, так как партнер,
с которым реагирует соединение АСО2, должен быть прямым или не-
прямым продуктом фотохимического процесса.
При кинетическом анализе эффекта карбоксилирования могут быть
использованы две различные предпосылки. Одной альтернативой (ука-
занной стрелками в уравнении (27.1)) является допущение, что карбо-
ксилирование есть в значительной степени обратимый процесс, т. е.
что k'a — величина того же порядка, как &а[СО2]а. В этом случае ассо-
циация акцептора А с двуокисью углерода будет неполной, даже без
всякого нарушения равновесия из-за расходования АСО2 на свету.
Другой альтернативой, которой Франк и Герцфельд отдают предпо-
чтение, является допущение, что равновесие карбоксилирования лежит
целиком на стороне ассоциации (подразумевается, что £а[СО2] ^3* &'),
так что в темноте практически весь акцептор «насыщается» молеку-
336
Г ла» a XXVII
лами двуокиси углерода при всех имеющих практическое значение
парциальных давлениях двуокиси углерода, если только последняя не
замещается другими партнерами для ассоциации, как, например, про-
межуточными продуктами восстановления, наркотиками и т. д. Со-
гласно этому представлению, свободные молекулы А могут существо-
вать только во время интенсивного фотосинтеза или немедленно после
него, когда восстановление АСО2 является (или было) слишком бы-
стрым, чтобы новое карбоксилирование могло поспевать за ним.
Как было указано в гл. VIII (т. I), почти все известные до сих
пор случаи равновесия карбоксилирования in vitro соответствуют
практически полной диссоциации. Только в очень немногих из из-
вестных случаев карбоксильная группа термодинамически стабильна по
отношению к декарбоксилированию (по крайней мере, при достаточно
высоких давлениях двуокиси углерода). Насыщение фотосинтеза дву-
окисью углерода, которое происходит при таких низких давлениях,
как 0,1°/0, указывает, что в этом случае условия будут другими,
может быть, вследствие сопряжения карбоксилирования с другой реак-
цией, например гидролизом богатых энергией фосфатов или эндерго-
ническим окислением — восстановлением (см. т. I, стр. 210). Однако
нет ни. экспериментальных, ни теоретических оснований, исключая
удобства для аналитической формулировки, постулировать, что при
фотосинтезе равновесие карбоксилирования лежит полностью на сто-
роне синтеза, даже при самых низких из имеющих практическое зна-
чение давлений двуокиси углерода. Поэтому мы начнем свой анализ,
предполагая, что степень насыщения акцептора двуокисью углерода,
несомненно, зависит от внешней концентрации двуокиси углерода.
Если одна молекула акцептора присоединяет одну молекулу дву-
окиси углерода, равновесие карбоксилирования определяется следую-
щим уравнением:
[ АСО2] = (^Ао[С02]а)/(1 + АГа[С021а),	(27.3)
где Ао—общая концентрация наличного акцептора
А0 = [А]4-[АСО2]	(27.4)
и Ка — константа равновесия карбоксилирования
Ко[СО2]о[А] = [АСО2].	(27.5)
Если механизм карбоксилирования является таким простым, как
это постулировано в (27.1), константа равновесия Ка равна отношению
двух констант скорости ka и ka.
В уравнении (27.4) принимается, что акцептор А или свободен или
связан с СО2. Это может не полностью соответствовать действитель-
ности по двум причинам: во-первых, может потребоваться некоторое
время для того, чтобы первый продукт восстановления АСО2, обозна-
ченный нами как АНСО2, диссоциировал на А и НСО2; часть акцеп-
Факторы концентрации
337
тора, таким образом, во время фотосинтеза «блокируется» продуктом
его восстановления (см. ниже); во-вторых, фотохимическое восстано-
вление должно, быть может, повториться несколько раз, например
по схеме
АСО2 -^> АНСО2 АН2СО2 АН3СО2
—> АН4СО2 —> А + Н2О + {СН2О), (27.5а)
прежде чем продукт восстановления может отделиться от носителя А,
как это показано в механизме Франка — Герцфельда, разбираемом
ниже. Если принять, что АНСО2 является единственным продуктом
фотохимического восстановления, то завершение его восстановления
до АН4СО2, т. е. до уровня углеводов, должно быть приписано дисму-
тации
4АНСО2 —► ан4со2 + засо2
(см. т. I, стр. 163).
Самое простое предположение, которое можно сделать при интер-
претации углекислотных кривых фотосинтеза, состоит в том, что эти
кривые являются, по крайнем мере в основном, кривыми насыщения
акцептора А. Это означает необходимость следующих допущений:
1) что равновесие (27.3) не смещается сильно во время фотосин-
теза, по крайней мере в обычных условиях и 2) что скорость фото-
синтеза определяется скоростью восстановления соединения АСО2 и
эта скорость пропорциональна концентрации АСО2:
Р = я^.[АСО2],	(27.6)
где константа k* зависит от интенсивности освещения, на что указы-
вает звездочка. С возможными ограничениями второго допущения мы
будем иметь дело несколько позже. Условием для правильности первого
допущения, т. е. для сохранения равновесия на свету, будет (см. урав-
нение (27.2):
 (27-7)
Что это условие не всегда соблюдается, демонстрируется явлениями
«подбирания». Оказывается, что при очень интенсивном освещении
(т. е. когда /г* очень велика) или в присутствии некоторых ядов (когда
k' очень мала) акцептор А оказывается лишенным двуокиси углерода
и позднее «подбирает» ее в темноте.
Множителем п в уравнении (27.6) является единица или правильная
дробь, в зависимости от того, сколько молекул СО2, в лучшем случае,
может восстановиться до углеводного уровня {СН2О} на каждую моле-
кулу СО2, которая подвергается первой реакции восстановления
(до АНСО^. Если механизм восстановления включает в себя только
одну фотохимическую ступень (АСО2 —► АНСО2) с последующей
22 Зак. 4040. Е. Рабинович
Й38
Глава ХХУП
двойной дисмутацией
4АНСО2 ЗАСО2 + НаО + {СН2О}4-А,
то п будет равно 1/i. Если сюда включается также реакция дисмута-
ции энергии типа, разобранного в гл. IX (т. I), то п уменьшается
до 1/8. Если же, напротив, СО2 восстанавливается до уровня Н4СО2 '
в прямой серии фотохимических реакций
АСО2 АНСО2	АН4СО2 А4-Н2О + СН2О,
тогда п будет равно единице (в качестве компенсации в модели с дис-
мутацией константа k* может быть равна числу поглощенных световых
квантов, однако она должна быть в 1/п раз меньше в модели, вклю-
чающей прямое восстановление, где требуется 1/п квант для прохо-
ждения одной молекулы СО2 через все четыре ступени восстановления).
Предполагая, что условия (27.6) и (27.7) будут удовлетворены,
мы можем вставить в (27.6) значение равновесия (27.3) и получить
следующее уравнение для углекислотных кривых фотосинтеза:
Р = яЛ*КоА0 [С02]о/(1 + Ка [С02]о).	(27.8)
При различных значениях fe* (например, при различных интенсив-
ностях света Г) уравнение (27.8) представляет семейство кривых «типа
Бозе». Эти кривые являются гиперболами
Р/(Р^с —Р) = Ка 1СО2].	(27.9)
При насыщающих концентрациях двуокиси углерода Р асимптоти-
чески приближается к максимальной скорости
/’макс =лА*А0.	(27.10)
Все углекислотные кривые расходятся с самого начала; их начальный
наклон равен
(dP/d [СО2]о)0 = nk'rKahQ.	(27.11)
Все они достигают половинного насыщения при одной и той же кон-
центрации двуокиси углерода
t/l[C02Ja = l/Ko.	(27.12)
Углекислотные кривые, полученные на опыте, в большей или мень-
шей степени отклоняются от этого простого типа: даже кривые «типа
Бозе», показанные на фиг. 145, не все достигают половинного насы-
щения при одном и том же значении [СО2]. Можно попытаться рас-
сматривать кривые (27.8), ограниченные исключительно статическими.
условиями, как «первичные» углекислотные кривые и считать, что
Факторы концентрации.
338
опытные кривые, по существу, являются именно такими кривыми,
но деформированными благодаря налагающимся кинетическим влия-
ниям. В области низких концентраций двуокиси углерода (или в при-
сутствии яда, например синильной кислоты) эти добавочные влияния
включают в себя реакции снабжения ограниченной эффективности:
медленную диффузию двуокиси углерода и медленное карбоксилиро-
вание. Эти два процесса, которые имеют лимитированную, но пропор-
циональную [СО2] максимальную скорость, имеют тенденцию образо-
вывать наклонное плато — «крышу» на кривых Р—f [СО2] и таким
образом превращать ряд расходящихся гипербол «типа Бозе» в блэк-
мановскую единственную и почти прямую линию. В области высоких
концентраций СО2 дополнительные кинетические влияния должны быть
обусловлены факторами, независящими от [СО2] (например, недостат-
ком катализатора) и стремящимися наложить горизонтальный «потолок»
на суммарную скорость, т. е. вызвать «углекислотное насыщение»
фотосинтеза даже прежде, чем акцептор А будет насыщен двуокисью
углерода.
Факторы диффузии. Если диффузия и карбоксилирование проте-
кают медленно (точнее говоря, если в данных условиях их максималь-
ная скорость недостаточно велика по сравнению с фактической ско-
ростью фотосинтеза, Р), то концентрация молекул двуокиси углерода,
[СО2]о, в непосредственной близости от акцептора может уменьшаться
до уровня, значительно более низкого, чем концентрация этого вида
молекул в среде, [СО2]; в то же время концентрация карбоксилиро-
ванного акцептора [АСО2] может понижаться заметно ниже того зна-
чения, которое соответствует термодинамическому равновесию, опре-
деляемому уравнением (27.3). Стационарные концентрации [СО2]а
и [АСО2], установившиеся при этих условиях, могут быть вычислены
путем применения закона действующих масс к реакциям (27.1) и (27.2):
[СО2]а = (kd [СО2] + k'a [АСО2])/(йаА0 — ka [АСО2] + kd) (27.13)
и
[АСО2] = (ka [СО2]оА0)/(А* 4- k’a + ka [СО2]о).	(27.14)
Комбинация этих двух уравнений дает квадратное уравнение для
[АСО]2 и, следовательно, также для Р как функции [СО2]. Одним из
его решений, имеющим физический смысл, будет
k-k*^ + k'kd + k*kd + knkd [CO J
__ t* г и i a a 1 т и 1 flu1 и-*
Kka
//feo<A0 + k'akd + fyd + kakd [CO2] \2 _ Aofed [CO2]
V \	2*X	/ k*r
(27.15)
22*
340
Глава XXVH
Вставляя это значение [АСО2] в (27.6), получаем
Р_= kakrAQ + k'akd + krkd + kaka [CO2]
n _________________2ka_______________________________
-]/ ( -° --	~ 2fef'"	J -АЛ[СО2]Л;. (27.16)
Это уравнение представляет при различных значениях параметра 1гг
(т. е. при различных интенсивностях света) семейство гипербол. По-
добно первичным углекислотным кривым (27.8) эти гиперболы при-
ближаются к значениям насыщения (27.10), но в противоположность
первичным кривым они не достигают половинного насыщения все одно-
временно. Выражение для полунасыщающей концентрации внешней
двуокиси углерода можно вывести из уравнения (27.15), принимая
[АСО2] —’.^Aq, и оно выглядит следующим образом:
,/2[СО2] = А- [1 + £ (Ц1±2М] .	(27.17)
А), L	‘kaka J
Это уравнение показывает, что вследствие замедленных диффузии
и карбоксилирования точка полунасыщения при увеличении интенсив-
ности света перемещается по направлению к более высоким концен-
трациям двуокиси углерода. Такое явление действительно наблюдается
у большинства, если не у всех, углекислотных кривых, полученных
на опыте (см. фиг. 145, 146 и 148).
Начальный наклон кривых (27.16) не пропорционален k*, как это,
согласно уравнению (27.11), должно иметь место для первичных кривых,
а выражается уравнением
(dP/d [СО2])0 = nkaAokdkr/(kaAok* + k'akd + kdk*r).	(27.18)
Это уравнение показывает, что углекислотные кривые для всех
значений kr лежат в пределах угла, образованного осью абсцисс и
наклонной прямой линией («крыша»):
(27-19)
ЛаА0 "Г Kd
и, конечно, ограничены также горизонтальным пределом («потолок»)
(27.10). Уравнения (27.16)—(27.19) выражают суммарный эффект
медленной диффузии и медленного карбоксилирования. Если действует
только один из этих факторов, уравнения можно упростить. Чисто
диффузионное лимитирование может иметь место в том случае, когда
максимальная скорость диффузии гораздо меньше, чем максимальная
скорость карбоксилирования. Лимитирование, вызываемое условиями
карбоксилирования, должно превалировать при обратных соотношениях.
В первом случае
kd<^kaA0	(27.20)
Факторы концентрации
341
и уравнение (27.16) сокращается до уравнения
Р __	[СО8]
Л	2Ка
! /+	[СО2] V ,	пл ч
— |/ ------------2^-----------/ — А0«А1СО21,	(27.21)
которое содержит, как и предполагалось, только константу равно-
весия Ка вместо констант скорости ka и ka. Концентрация половин-
ного насыщения будет равна
’IC°J = ^(1+t^)’	Г27'22’
а начальный наклон определяется соотношением
(dP/d [СО2])0 = nKah0lCkdl(Kah0kr + kd).	(27.23)
Ограничивающая наклонная линия («крыша») имеет уравнение
Лимит = n*tf[CO2),	(27.24)
по которому ясно можно судить о максимально возможном поступле-
нии двуокиси углерода посредством диффузии.
Начальный наклон индивидуальной углекислотной кривой, которая,
если бы не было диффузионного лимитирования, начала бы подниматься
с наклоном, равным наклону лимитирующей линии (уравнение (27.24)),
т. е., согласно уравнению (27.11), кривой, соответствующей условию
kr—k^K^Q, уменьшается из-за медленной диффузии на половину
своего первоначального значения
(dP;d[C.O2])0 = nkd 2.	(27.25)
Для более общего случая первичная кривая с начальным наклоном
akd понижается диффузионным лимитированием до начального наклона
бттйгг) = (Чл) nkd-	(27.26)
\d [СО2] /о \“+1/ а	J
Таким образом, первичные кривые с начальными наклонами между
10 и 100 kd вследствие медленности диффузии будут заключены
в пределах между 10/11 kd и 100/101 kd, т. е. их начальные участки
будут практически совпадать с лимитирующей прямой линией и,
следовательно, представлять картину «типа Блэкмана». С другой
стороны, первичные кривые, которые превысили бы предельную
скорость с коэффициентом, близким к единице, а также и те, которые
приближались бы к этому пределу, но никогда бы не превысили его,
сохранят свою индивидуальность и нелинейную форму и будут пока-
зывать переход от «типа Блэкмана» к «типу Бозе». Некоторое угнетаю-
342
Глава XXVII
щее влияние диффузии будет чувствоваться даже для кривой, первона-
чальный наклон которой соответствовал только 0,1 kd (наклон этой кривой
будет уменьшен на 10%). Этот пример «упреждающего эффекта», произ-
водимого лимитирующим фактором в соответствии с общими законами
кинетики реакций, приводился уже в гл. XXVI.
Медленное карбоксилирование. Этот случай отражается выше-
приведенными общими уравнениями (27.16—27.19), если сделать
допущение, что
VW,	(27.27)
Это подразумевает другое неравенство:
kd [СО2[ » k'a [ АСО2].	(27.28)
Так как
[СО2] > АоА0 [С02]о > ka [ А] [ СО2] а = ka [АСО2] -|-
то последнее уравнение будет условием стационарного состояния для
комплекса АСО2.
Условия (27.27) и (27.28) сокращают уравнение (27.13) до
[С02]о = [СО2],	(27.29)
как это должно быть, если СО2 поступает в изобилии путем диф-
фузии. Соответственно уравнения (27.14) и (27.15) замещаются на
[АСО2] = ka [СО2] Ао/(^+ + ^[СО2]),	(27.30)
а (27.16) на гораздо более простое уравнение
Р = nka\0 [СО2] £/\k'a+ ka [СО2]).	(27.31)
Это уравнение может быть написано так:
Р/(Рмакс -Р) = ka [СО21/(&; + £).	(27.32)
Эти гиперболы достигают полунасыщения при
(27-зз>
Ко ' ka'
(выражение, которое можно было также вывести непосредственно из
уравнения (27.17)). Их начальный наклон выражается (см. уравне-
ние (27.18))
(dP/d [СО2])0 = nkaXokr/(.k'a + &*).	(27.34)
Все кривые, выражающиеся уравнением (27.31), укладываются под
«крышей»
Рлимит == яАоА0[СО2],	(27.35)
Факторы концентрации
343
Это уравнение, которое можно также вывести из уравнения (27.19),
представляет, повидимому, максимально возможную скорость карбо-
ксилирования. Рассуждая подобным образом, можно показать, что
«первичная» углекислотная кривая с начальным наклоном айвАол
уменьшает свой наклон вследствие медленного карбоксилирования
до а/(а 4“ 1) ка&.йп. Другими словами, также и в этом случае влияние
лимитирующего процесса чувствуется задолго до того, как скорость
фотосинтеза приблизится к пределу.
До сих пор карбоксилирование рассматривалось как одноступен-
ная реакция, скорость которой пропорциональна [С02]о. Известно,
однако (см. т. I, стр. 211), что карбоксилирование при фото-
синтезе чувствительно к цианиду и, следовательно, без сомнения,
является каталитической реакцией. Поэтому оно должно состоять из
нескольких стадий, включающих образование комплекса субстрат —
катализатор и его превращения. У нас нет точных данных о природе
этих стадий, но можно предполагать, что при очень низких значе-
ниях [СО2] стадия, определяющая скорость всего процесса, будет
такой реакцией, скорость которой пропорциональна [СО2], например
реакцией (27.36). При этих условиях вышеприведенные уравнения и
соображения равно приложимы как для катализированного, так и для
прямого карбоксилирования. Однако при более высоких значениях [СО2]
определять общую скорость могут другие реакции процесса карбокси-
лирования— реакции, лимитированные в своей максимальной эффек-
тивности количеством доступного соответствующего катализатора
(карбоксилазы). Следовательно, в этом случае на скорость всего про-
цесса будет налагаться предел («потолок»), независимый от [СО2].
Скорость будет определяться произведением количества доступного
катализатора на среднее время, которое требуется для того, чтобы
Молекула катализатора завершила соответствующее превращение.
Специфическая форма соответствующих кинетических уравнений
будет зависеть от постулированного механизма каталитического
действия, и в настоящее время, как отмечалось выше, у нас нет
никаких оснований предпочесть какой-либо один механизм из числа
нескольких возможных, т. е. совместимых с нашими знаниями о ме-
ханизме энзиматических процессов вообще.
В качестве примера мы приведем вычисления, основанные на
простом механизме:
£
СОа4-Ел ->ЕаСО2.	(27.36)
k.
Употребляя Ед, так же как и в томе I, для обозначения карбокси-
лазы, получаем
^еа
ЕдСО2-|-А^:Ед+АСО2	(27.37)
k' *
344
Глава XXVII
(ради простоты мы пренебрегаем диффузией и употребляем (СО2]
там, где нужно было бы употребить [С02]о). Константы равновесия Ке
и Кеа подчиняются следующему условию:
(Ь h \
Леа /
(27.38)
Мы принимаем, что равновесие (27.36) устанавливается практически
мгновенно и не нарушается во время фотосинтеза, но что равнове-
сие (27.37) достигается менее быстро и вследствие этого на свету
* может сместиться*. Обозначая общее доступное количество энзима Ед
через Ед, мы можем вывести следующие уравнения для равновесного
состояния:
[ACOJ = КоА0 [СОа]/( 1 + Ка [СО2]	[СО2] +	), (27.39)
\	"ea^A	^еа^А.)
Р = п£Ка А0[СО2]/(1 + ка [СО2] -I-
(27.40)
Член, пропорциональный &г(СО2], в знаменателе налагает на эти
углекислотные кривые «абсолютный потолок» (т. е. максимальную
скорость, не зависящую ни от [СО2], ни от kr, а следовательно, и от /):
^Zo-^eaElAo	(27.41)
(нижний индекс «макс» относится к [СО2], верхний — к Г). Очевидно,
что это выражение в п раз больше, чем максимально возможная
скорость карбоксилирования согласно механизму (27.36) и (27.37).
Мы получаем для относительного насыщения как функции [СО2]
Р/(РмаКО —Р) =
krKe\
Ка + -1^)[СО2]
keaEi./
l+(*Xa£A>
(27.42)
и для полунасыщающей концентрации двуокиси углерода
(27.43)
Это уравнение сокращается до
г3[СО2] - 1/Ке
(27.44)
* Допущение, что (27.36) также является медленной реакцией, привело бы
к более сложным квадратным уравнениям для [АСО2] и Р, подобным тем,
которые получены в предыдущем разделе для комбинированного действия
медленной диффузии и карбоксилирования.
Факторы концентрации
345
для высоких значений k* (сильный свет) и до
,/8[СО2] = 1/Ка
для низких значений А* (слабый свет).
В зависимости от того, какая из констант меньше (Ка или К"е),
1/а[СО2] будет сдвигаться вверх или вниз при увеличении интенсив-
ности освещения. Начальный наклон кривых (27.40) будет
f dP \ nk*KaA0
(27.45)
(27.46)
V[CO2L/0 1 —</<лЕа'
Уменьшение скорости, вызываемое недостатком полученное
путем сравнения (27.40) с (27.8), выражается
//	£ К. [COJ +1
₽= 1/ 1-1—-------
Ед<а ЛГв[С02]+1
Для насыщающих значений [COJ
(.* \
. Rfe \
+ж-
‘-'АЛеа/
(27.46а)
(27.460)
и равно, следовательно, */2 для интенсивности света й* = Е°£ев,
которая при достаточном количестве энзима дала бы насыщающее
значение (уравнение (27.41)).
Вообще уровень насыщения уменьшается от лайеаЕ1А0 до
(а + [)	Таким образом, и здесь влияние лимитирующего про-
цесса чувствуется уже тогда, когда нелимитирующая скорость еще
значительно ниже налагаемого «потолка».
Недиссоциирующее соединение АСО2. Теория Франка — Герц-
фельда. До сих пор мы рассматривали углекислотные кривые в основном
как изотермы насыщения АСО2, только несколько искаженные медленной
диффузией, медленным карбоксилированием и ограниченным количе-
ством карбоксилазы Ед.. Однако ранее уже несколько раз упоминалось
другое возможное толкование. Равновесие карбоксилирования может
лежать практически полностью на стороне ассоциации и действие
фактора [СО2] на скорость фотосинтеза может быть целиком обу-
словлено исключительно кинетическими явлениями, такими, например,
как лимитирование скорости диффузии и карбоксилирования. Соот-
ветствующие кинетические уравнения легко вывести из более общих
формул, данных в двух последних разделах, если принять ka = 0,
т. е. предположить, что скоростью декарбоксилирования можно пре-
небречь. Например, если углекислотное лимитирование вызывается
исключительно медленным карбоксилированием (тогда как двуокись
346
Глава XXVII
углерода поступает посредством диффузии в изобилии), мы можем
начать прямо с уравнения (27.31); опуская член k'a в знаменателе
этого уравнения, получаем
Р = л£аА0 [СО2] *Ж+*О [СО2])	(27.47)
(если kr <CZ ka [СО2], то это уравнение, как и ожидалось, сокра-
щается до Р = л£*А0).
Это уравнение также представляет гиперболические углекислот-
ные кривые
РДЛишо — Р) == МС02]/^	(27.48)
с половинным насыщением при	
1/2(СО2] = kr/ka	(27.49)
и начальным наклоном	
(dP/d [СО2])0 = nkahQ.	(27.50)
Следует отметить, что в этом случае все углекислотные кривые
образуют один и тот же угол с осью [СО2], независимо от kr (т. е. от
интенсивности света). Половинное же насыщение происходит при
значениях [СО21, пропорциональных k* (т. е. увеличивающихся при
увеличении интенсивности освещения^.
Тот же метод можно применять для объяснения эффектов насы-
щения, вызванных лимитированным количеством карбоксилирующего
катализатора Ед, допуская, например, что Аея = 0 в уравнении (27.37).
Вследствие такого допущения уравнение (27.40) сокращается до
р =	[СОдаЛаЕл [СО2] + кЯ [СО2] + £). (27.51)
Абсолютный предел («потолок»), к которому приближается
это семейство гипербол, когда и kr и [СО2] имеют высокие зна-
чения, будет тем же самым, что и в уравнении (27.41), т. е. равным
максимальной скорости образования АСО2 по реакции (27.37), умно-
женной на п.
Уравнением для индивидуальных углекислотных гипербол будет
Р/(Л»К0 - Р) = (keaE°A+ke [CO2]/kr.	(27.52)
Они достигают половинного насыщения при
1/а(СО21 = ^/Лв(*еаЕд+^)	(27.53)
и имеют следующий начальный наклон (независимый от k* и, следо-
вательно, от интенсивности света):
(dP/d[CO2])0=	(27.54)
Факторы концентрации
347
Предположение о существовании стабильного соединения АСО2
было использовано Франком и Герцфельдом [98] в их подробной
теории фотосинтеза — теории, наиболее разработанной из всех имею-
щихся в литературе. Довольно сложный химический механизм, на
котором был основан их кинетический анализ, представлен в томе I
схемой на фиг. 20 (гл. VII).
Для Франка и Герцфельда было бы неудобно использовать какой-
нибудь другой постулат относительно стабилизации АС0.2, так как
они предполагают, что носитель связан не только с молекулами дву-
окиси углерода, но также и с семью промежуточными продуктами
восстановления. Если рассматривать равновесие АС0.2 А СО2
как обратимое и в то же время постулировать прочное прикрепление
промежуточных продуктов восстановления к одному и тому же носи-
телю, то это приведет к дополнительным математическим усложне-
ниям; допущение обратимого ассоционного равновесия для каждого
промежуточного продукта (как было предложено в главе IX, т. I)
усложнит вычисления в еще большей степени. Франк и Герцфельд
выбрали наиболее простой путь, когда они приняли, что комплексы
А с СО2 и также со всеми семью промежуточными продуктами
являются практически недиссоциирующими, за исключением тех слу-
чаев, когда на них действует свет; это осложняющее обстоятельство
было рассмотрено в т. I, стр. 173, и мы снова вернемся к нему
в гл. XXIX.
Благодаря предположению о недиссоциирующем комплексе теория
Франка — Герцфельда не содержит выводов, подобных приведенным
в разделе «Равновесие карбоксилирования». Так как эти авторы не
принимают во внимание эффектов медленной диффузии, эта теория не
включает в себя и такой части, которая была бы эквивалентной разделу
«Факторы диффузии». Ими были приняты во внимание только те
аспекты проблемы снабжения двуокисью углерода, которые рассмат-
ривались в предыдущем разделе, т. е. медленное карбоксилирование,
вызванное или низкой концентрацией двуокиси углерода или недо-
статком карбоксилазы.
Однако их подход к исследованию этих двух эффектов несколько
отличался от - приведенного в предыдущем разделе, так как они по-
стулировали другой механизм катализа. Вместо двух последователь-
ных реакций (27.36) и (27.37) Франк и Герцфельд предположили
существование следующих трех реакций:
СО2+ А	А . СО2	(27.55а)
(образование «рыхлого» комплекса);
А • СОа + ЕА	АСОа + ЕА	(27.556)
348
Глава XXVII
(каталитическое образование «стабильного» комплекса и инактивиро-
вание катализатора);
Г
, ка
Ед —► Ед	(27.55в)
(реактивирование катализатора).
Франк и Герцфельд предположили, что равновесие (27.55а) уста-
навливается практически мгновенно, тогда как реакция (27.556) имеет
конечную скорость и поэтому способна стать «узким местом» фото-
синтеза. Это происходит либо тогда, когда концентрация субстрата,
[А • СО2], или концентрация энзима, [Ед], является низкой, либо
в более общем случае, когда произведение этих двух концентраций
будет малым.
Согласно уравнению (27.55), концентрация «рыхлого» комплекса
будет
[А  СО2] == ЛГ[А] [СО2].	[27.56]
Ради последовательности (см. уравнение (27.5)) в качестве константы
равновесия мы используем величину, обратную К Франка и Герц-
фельда. При этом скорость реакции (27.556), представляющей «узкое
место», будет
(6 [АСО2]/Л) = ka [А • СО2] [Е] = kaK [А] [СО2] [Ед]. (27.57)
Мы допускаем, как мы это всегда делали при выводах формул,
что никакие кинетические факторы, кроме тех, которые связаны
с поступлением двуокиси углерода, не влияют на скорость фотосин-
теза. В этих условиях уравнения углекислотных кривых можно вы-
вести, вычисляя стационарные концентрации [А] и [Ед], включая их
в уравнение (27.57) и рассчитывая стационарную концентрацию
[АСО2] посредством уравнивания скорости образования [АСО2],
данной уравнением (27.57), и скорости светового восстановления этого
продукта.
По теории Франка — Герцфельда, при кинетических вычислениях
все молекулы носителя А можно рассматривать как прикрепленные
к молекуле сенсибилизатора (хлорофилла), так что молекулы суб-
страта, связанные с А, могут подвергаться прямому фотохимическому
превращению; формулируя это более осторожно, можно сказать, что
только те молекулы А принимаются во внимание в кинетических ура-
внениях, которые связаны с хлорофиллом. Их общее количество
можно обозначить как Ао. Подобным же образом предполагается, что
все молекулы хлорофилла несут молекулы акцептора А; или, иначе
говоря, во внимание принимается поглощение света только теми моле-
кулами хлорофилла, которые связаны с А. Мы обозначаем общее
количество таких молекул, как Chl0. Возможно, что это количество
может быть уменьшено некоторыми ингибиторами, например такими,
как уретан или другие наркотики, которые замещают акцептор А на
Факторы концентрации
349
хлорофилле. То же самое явление происходит, по мнению Франка, и
при «самонаркотизации» промежуточным продуктом фотосинтеза, о чем
было упомянуто в гл. XXIV.
По схеме Франка, константа скорости kr в уравнении (27.6) может
быть написана, как k*I'.
P= — n(d [АСО2]/Л) = k*l [АСО2],	(27.58)
где А*/[АСО2]—скорость поглощения света акцептором А, соеди-
ненным с СО2; k*, по существу, является средним коэффициентом
поглощения исследуемого образца. Множитель п в механизме Франка —
Герцфельда равен 1; однако k*I при стационарном состоянии не пре-
вышает ’/в общей скорости поглощения.
Если принять, как это и делают Франк и Герцфельд, что коэф-
фициент поглощения будет одним и тем же, независимо от того, свя-
зан ли хлорофилл с АСО2 или с любым из семи промежуточных
продуктов (см. схему на фиг. 20, т. I, гл. VII), то при стационар-
ном состоянии количество [АСО2] и семи промежуточных продуктов
должно быть тем же самым. Это значит, что
Ао = (= СЫ0) = [А] + [ А • СО2] + 8 [АСО2],	(27.59)
где Ао — все имеющееся в распоряжении количество акцептора А,
связанного с хлорофиллом.
Приравнивая уравнения (27.57) и (27.58), получаем
[АСО2] =(fe^[A][E4][CO2])A*/.	(27.60)
Стационарное значение [Ед] можно вычислить, приравнивая ско-
рости реакций (27.556) и (27.55в); это дает
[Ед] = k'aE\'i{ka[А • СО2] + k'a).	(27.61)
После включения (27.61) в (27.60) можно использовать (27.56) и
(27.59) для исключения [А] и [А • СО2] и, таким образом, получить
желаемое уравнение для [АСО2] и, согласно (27.58), также для Р,
выраженного в [СО2], Ао и £д. Вследствие принятия двухступенного
механизма образования АСО2 (с «рыхлым» комплексом А • СО2 в ка-
честве промежуточного продукта) результирующее уравнение является
квадратным. Решение его приводит к довольно сложному выражению,
представляющему опять-таки семейство гипербол. Нет никакой необ-
ходимости приводить здесь это решение.
Для высоких значений и [СО2], и I выражение Р асимптотически
приближается к значению
« = nkJt'aEUo '(kaA0 + k'a)	(27.62)
(нижний индекс «макс» относится к [СО2] и верхний — к У). Для двух
таких крайних случаев, когда feaA0 ka или наоборот, выражение
356
Глава XXVil
(27.62) сокращается до пАоЕд (максимальная скорость реакции
(27.55в) или до лАаЕдА0 (максимальная скорость реакции (27.556)).
Соотношения становятся значительно более простыми, если пред-
положить, что скорость реакции (27.55в) очень велика по сравнению
со скоростью фотосинтеза Р, так что [Ед]' практически равна нулю,
а [Ед] равна Ед. В этом случае получают для Р уравнение первой
степени, решение которого будет
йаКЕ°дА0 [СО2] **//(**/ + k*IK[СО2] -[- 8йоКЕ1 [СО2]). (27.63)
Это уравнение семейства гипербол (с I в качестве параметра):
Р ( 8k /СЕ® \
Полунасыщение (Р = v PMWK1) достигается, когда
„ г СО,] = k* JI(Kk*I4- 8ЛЛГЕ?) = — (----Ц------\ . (27.65)
‘V -	''	'	' K\l+(8kaE°KlkV)} '
При увеличении интенсивности освещения оно сдвигается по направле-
нию к высоким значениям [СО2]. Начальный наклон кривых (27.63)
будет
(dP/d[C02])0 = «*oKEU0.	(27.66)
Вследствие того, что в уравнении (27.556) образование АСО2 принято
необратимым, наклон (27.66) является независимым от интенсивности
освещения (другими словами, при очень низких концентрациях дву-
окиси углерода вся образующая АСО2 восстанавливается на свету,
какова бы ни была интенсивность последнего). Таким образом, как
указывалось выше, углекислотные кривые, представленные уравне-
ниями (27.47) или (27.63), имеют более резко выраженный «тип Блэк-
мана», чем кривые, полученные с допущением диссоциирования ком-
плекса АСО2.
Само собой разумеется, гипотеза о стабильной связи акцептора А
с хлорофиллом является независимой от других постулатов теории
Франка — Герцфельда; эта теория совместима также и с предполо-
жением о диссоциировании комплекса АСО2.
Обратные реакции в светочувствительном комплексе. До сих
пор мы рассматривали углекислотные кривые только с точки зрения
«предварительных» темновых процессов на «восстановительном конце»
фотосинтеза, так как эти процессы являются стадиями фотосинтеза,
имеющими наиболее близкое отношение к «углекислотному фактору».
Влияние предварительных реакций на «окислительном конце» (на-
пример, возможного предварительного энзиматического связывания
воды), так же как и влияние «завершающих» реакций (таких, как
Факторы концентраций
351
превращение АНСО2 в углевод и освобождение кислорода), до сих пор
оставлялось без внимания. Роль реакций внутри самого светочувстви-
тельного комплекса принималась в расчет только с допущением, что
скорость восстановления АСО2 равна произведению АГ[АСО2], где
k* рассматривалась как функция интенсивности освещения I. Это
допущение не вводило никакого нового источника углекислотного
насыщения; оно целиком определялось, как и ранее, четырьмя факто-
рами, детально разобранными в первых четырех разделах (ограничен-
ное количество А, медленная диффузия, медленное карбоксилирование
и ограниченное количество карбоксилазы Ед).
Совершенно ясно, однако, что углекислотное насыщение может
быть также произведено лимитированием любой из других частных
реакций фотосинтеза. Например, недостаток катализатора, требую-
щегося для предварительного превращения восстановителя (НдО, Н2,
H2S ...), может привести к такому же наложению «потолка» на угле-
кислотные кривые, как и лимитированное количество энзима (карбо-
ксилазы), который катализирует предварительное превращение самой
двуокиси углерода.
Попытка написать уравнения для углекислотных кривых, которые
отражали бы также эффект ограниченного снабжения восстановите-
лем, принесла бы мало пользы. С другой стороны, было бы полезно
сказать несколько слов о влиянии на эти кривые лимитированного
снабжения световой энергией.
Кинетические уравнения, которые могут быть получены при рас-
смотрении возможных прямых и обратных реакций внутри самого
светочувствительного комплекса, будут выведены в гл. XXVIII. Как
и следует ожидать, они показывают, что скорость поглощения света
этим комплексом накладывает предел на скорость фотосинтеза, кото-
рый не может быть снят увеличением концентрации двуокиси угле-
рода или изменением любого другого внешнего фактора. Следова-
тельно, световой фактор сам по себе способен произвести эффект
насыщения углекислотных кривых. Например, если мы будем рас-
сматривать уравнение (28.14), выведенное из (28.11) как уравнение
- углекислотных кривых (т. е. будем рассматривать 1 как параметр),
то мы найдем, что при высоких значениях [СО2] скорость прибли-
жается к максимуму
Рмаке == nft*/Chl0.	(27.67)
Этот максимум представляет собой скорость поступления световых
квантов, умноженную на число п молекул СО2, которые могут
быть изменены действием одного кванта (возможно, ’Д). Полунасы-
щение достигается, согласно схеме, представленной на фиг. 194, при
Vj[ACO2] = k')kr.	(27.68)
Таким образом, можно задать себе вопрос, действительно ли для
интерпретации углекислотных кривых необходимо допустить, что
352
Глава XXVII
акцептор А имеется в ограниченном количестве и карбоксилируется
посредством медленной темновой реакции; или, может быть, все явле-
ния углекислотного насыщения возможно объяснить лимитированным
снабжением светом. Однако наличие таких явлений, как «подбира-
ние» двуокиси углерода после интенсивного фотосинтеза (т. I, стр. 211),
дает прямое свидетельство того, что темновая реакция карбоксили-
рования действительно существует и что она имеет влияние на ско-
рость суммарной реакции фотосинтеза. С другой стороны, без сомне-
ния, правильно также и то, что, по крайней мере, некоторые из
углекислотных кривых, и в особенности те, которые получены при
слабом освещении, обязаны своей гиперболической формой целиком
или преимущественно ограниченному поступлению световых квантов.
Использованный нами механизм реакций (см. фиг. 194, уравне-
ние (28.20)) предусматривает, что реакция первичного фотопродукта
НХ • Chi • Z с окислителем АСО2 (константа скорости kr) конкурирует
с «дезактивирующей» реакцией превращения НХ • Chi • Z обратно
в X • Ch! - HZ (константа скорости &')• В гл. XXVIII обсуждается
также и альтернативный механизм (см. фиг. 195, уравнение (28.21)),
в котором «первичная» обратная реакция фотопродукта НХ • Chi•Z
исключается благодаря немедленной реакции НХ. Chi • Z с водой
(свободной или связанной), превращающей его в НХ • Chi  HZ. Этот
упрощенный механизм будет использован в главе XXVIII для анализа
другого возможного кинетического эффекта внутри светочувствитель-
ного комплекса — накопления во время энергичного фотосинтеза хлоро-
филлового комплекса в измененной нечувствительной к свету форме
(НХ • Chi • HZ — в использованном механизме). При выводе уравне-
ния (28.14) было сделано следующее упрощение: [НХ • Chi • Z]
[X - Chi • HZ] Chlo; мы не делаем подобного допущения в отно-
шении НХ • Chi • HZ, но постулируем, что восстановленная ф®ма
накапливается и производит насыщение световых кривых (при увели-
чении интенсивности света все больше и больше хлорофилловых ком-
плексов будет находиться в стационарном состоянии в светонечув-
ствительной форме НХ • Chi • HZ). Это предположение ведет к урав-
нению (28.27) для Р как функции I и [АСОа] и к уравнению (28.28),
если подставить вместо [АСО2] значение равновесия (27.3) в (28.27).
Рассматривая (28.28) как уравнение углекислотных кривых
(/= const), мы получим следующие уравнения для этих кривых:
р _______________р	ь*г
м»кс_______________________________.	(97 691
Рмако “й*/(1+ЛГо[СО2])+МаА0[СО2]’	’
,Jc°al=i(iXT«)'	(27-70)
Уравнение (27.70) показывает, что полунасыщающая концентрация
двуокиси углерода растет при увеличении интенсивности освещения
и что константа равновесия Ка может быть получена путем экстра-
Факторы, концентрации
353
полирования ,^[СО2] в сторону высоких интенсивностей света (линей-
ное экстраполирование с 1/7 в качестве абсциссы). Следует вспом-
нить, что в случае лимитирования снабжением двуокиси углерода
(см. уравнения (27.22) и (27.33)) мы должны получить то же самое
значение путем экстраполирования в сторону низких интенсивностей
света (7=0, и отсюда kr = 0). К оценке Ка по углекислотным кри-
вым мы вернемся ниже.
«Блокада» акцептора. При сравнении уравнений, выведенных
в предыдущих разделах, с углекислотными кривыми, полученными
опытным путем, следует иметь в виду, что несмотря на значительную
сложность некоторых этих уравнений, все они заключают в себе из-
вестные упрощения и поэтому могут быть приложены только в опре-
деленных ограниченных условиях.
До сих пор принимались во внимание только следующие кинети-
ческие факторы: медленная диффузия двуокиси углерода, медленное
карбоксилирование, ограниченные количества акцептора А и карбокси-
лазы Ед,. В предыдущем разделе рассматривались дополнительные
усложнения, которые могут быть вызваны дезактивацией первичного
фотохимического продукта НХ • Chi • Z (конкурирующей с реакцией
этого продукта с АСО2) или накоплением светочувствительного ком-
плекса в восстановленной форме НХ • Chi • HZ.
Наличия одной-единственной медленной предварительной темновой
реакции, идущей со скоростью, пропорциональной [СО2], и ограни-
чения количества одного из катализаторов (например, Ед, А или Chi)
было бы достаточно, чтобы объяснить увеличение Р при низких зна-
чениях [СО2], различия в насыщении отдельных углекислотных кривых
и явление «абсолютного насыщения» (т. е. насыщения в отношении
и [СО2], и /). Мы знаем, однако, что при фотосинтезе играют роль
несколько каталитических реакций, имеющих ограниченную макси-
мальную эффективность; и хотя некоторые из этих реакций не свя-
заны непосредственно с поглощением двуокиси углерода, лимитиро-
вание скорости суммарной реакции, какова бы ни была его причина,
должно отражаться на форме углекислотных кривых, в особенности
в той области, где они приближаются к «абсолютному насыщению».
В т. I мы набросали в общих чертах основную схему фотосин-
теза, которая в дополнение к предварительным реакциям снабжения
включает в себя два других главных типа каталитических процес-
сов — «завершающих» реакций, связанных с превращением первых
восстановленных продуктов в углеводы и с образованием молекуляр-
ного кислорода.
Превращения, которые претерпевает первый продукт восстановле-
ния (мы будем обозначать его через АНСО2), могут влиять на ско-
рость фотосинтеза различными путями. Если, например, этот продукт
должен подвергнуться химическому превращению прежде, чем он
23 Зак. 4040. Е. Рабинович
354
Глава XXVII
сможет отделиться от носителя А, и такое превращение требует
определенного времени, то при интенсивном освещении значительная
часть акцептора А может быть «блокирована» АНСОа. Если же, напри-
мер, для стабилизации продукта АНСО2 требуется какой-нибудь
катализатор (Ев), и этого катализатора достаточно долго не ока-
зывается в наличии, то АНСО2 может вступить в обратную реакцию
с окисленным светочувствительным комплексом X • Chi • Z, или с
промежуточными продуктами окисления воды, такими, как А'НО,
или, наконец, с некоторыми другими окислителями из находящихся
в клетке, образуя АСО2 (А -|- СО2, согласно гипотезе Франка). Эти
возможности будут рассматриваться в гл. XXVIII.
Рассмотрим вкратце эффекты «акцепторной блокады». ^Уравне-
ние (27.4) должно в этом случае быть заменено на
А0 = [А1 + (АСОа]-|-[АНСОа].	(27.71)
Предполагая, что регенерация акцептора есть мономолекулярный про-
цесс
1
АНСО2 —> А-]-НСО2,
(27.72)
мы можем написать уравнение для стационарной концентрации АСОа
и (допуская правомерность (27.6)) для скорости фотосинтеза. Взяв
простейший случай, который обсуждался в разделе «Равновесие кар-
боксилирования» (равновесие карбоксилирования не нарушается мед-
ленной диффузией или медленным карбоксилированием), мы получаем:
иАо^[С°а]<
/ £
1+^о[СО2] (1+-£
(27.73)
(27.74)
(27.75)
г2[СО2] =--------
Углекислотные кривые (27.73) являются, следовательно, гипербо-
лами, полунасыщение которых сдвигается, при увеличении интенсив-
ности освещения, в сторону более низких концентраций двуокиси
углерода (сдвиг, противоположный тому, который вызывается медлен-
ной диффузией или медленным карбоксилированием; он, повидимому,
не встречается у экспериментальных кривых). Вследствие наличия
в знаменателе уравнения (27.73) произведения	скорость не
Факторы концентраций
ЗЙ
может превысить «абсолютного максимума»
=	(27.76)
т. е. максимальной скорости регенерации акцептора по уравнению
(27.72), умноженной на п.
Вычисление константы карбоксилирования по углекислотным
кривым. Если хотят использовать углекислотные кривые для опре-
деления константы карбоксилирования Ка, как это было сделано
в гл. VIII (т. I), то следует избегать области «абсолютного насыще-
ния» и использовать только систематически и с высокой степенью
точности измеренные данные для углекислотных кривых в области,
где выход все еще пропорционален интенсивности освещения. Вполне
возможно, что этим путем можно определить, какой из рассмотрен-
ных выше механизмов снабжения двуокисью углерода обеспечивает
лучшую интерпретацию фактов. Имеющиеся в настоящее время экспе-
риментальные данные не являются ни достаточно точными, ни доста-
точно систематическими для такого рода анализа.
Из числа характеристик различных теоретических уравнений, вы-
веденных выше для углекислотных кривых, может быть использовано
для сравнения с опытными данными соотношение между полунасыщаю-
щей концентрацией двуокиси углерода и интенсивностью света (см.
уравнения (27.12), (27.17), (27.22), (27.33), (27.44), (27.45), (27.49),
(27.53), (27.65) и (27.75)) и между начальным наклоном и интенсив-
ностью света (уравнения (27.11), (27.18), (27.23), (27.34), (27.46),
(27.50), (27.54) и (27.66)).
Значение i/3[CO2] независимо от А* (т. е. от интенсивности света)
и равно 1/Ка только в той мере, в какой углекислотные кривые про-
порциональны кривым насыщения комплекса АСО2 (уравнение (27.12)).
Было сделано допущение, что это предположение оправдывается
всегда, когда углекислотные кривые являются гиперболами. Бёрк и
Лайнвивер [78], убедившись, что углекислотные кривые Варбурга,
Хардера, Джеймса, Ван-дер-Паува и Эмерсона и Грина (табл. 39)
следуют закону гиперболического насыщения, вычислили, исходя из
этих кривых, константы карбоксилирования Ка и получили значения
в пределах от 1 • 10-6 до 10- 10-6 лмоль (при комнатной темпера-
туре). Соответствующие свободные энергии карбоксилирования,
kFa( = RT\geKa) находятся между —6,9 и —8,3 ккалмоль.
На стр. 325 было упомянуто, что, согласно Уиттингэму [120],
полунасыщающая концентрация СО2 у Chlorella сдвигается вниз до
0,5 или 1,0 • 10~6 моль/л, если принимаются меры, чтобы избежать
явлений ингибирования при низких концентрациях СО2 (например,
если для клеток, выращенных при высокой [СО2], вводится 2—3-ча-
совой период индукции или если применяются клетки, выращенные
при низкой [СО2], например на воздухе).
23*
356
Глада XXVll
Бёрк и Лайнвивер определили также теплоту карбоксилирования.
Исходя из значений абсолютной скорости, найденных Эмерсоном и
Арнольдом при 6 и 24° в мерцающем свете, они вычислили
ДЯО, равную от 1,3 до 6,2 ккал) моль. Однако табл. 24 т. I (гл. VIII)
показывает, что фиксация двуокиси кислорода органическими моле-
кулами сопровождается (что естественно в реакциях, в которых малые
молекулы присоединяются к большим) уменьшением энтропии;
— TAS равно -|-8 и даже -1-16 ккал!моль при комнатной темпера-
туре. Таким образом, если —А/7 карбоксилирования равна
Фиг. 154. Экстраполирование [СОа] до 1 = 0.
/—данные Смита; II—данные Хардера; III—данные Гувера с сотрудниками.
7—8 ккал[моль, —АН должна быть порядка 15—20 ккал, т. е.
намного больше значения, приводимого Бёрком и Лайнвивером.
Уравнения, выведенные в предыдущих разделах, показывают, что
углекислотные кривые, хотя и сильно измененные под влиянием мед-
ленной диффузии или медленного карбоксилирования, все же остаются
гиперболами. Уравнения (27.17), (27.22) и (27.33) показывают, что
эти два фактора заставляют а/э[СО2] линейно увеличиваться с увели-
чением интенсивности освещения. В этом случае константа Ка может
быть получена путем линейного экстраполирования ,,(СО2] до / = 0.
На фиг. 154 видно, что данные Хардера, Гувера с сотрудниками и
Смита (ср. табл. 39), экстраполированные подобным образом, дают
значение 1/2СО2 около 5 • 10-6 М, откуда Ка получается около 2 . 10Б,
что соответствует LF — — 7,9 ккал!моль.
Однако линейное экстраполирование не всегда является надежным.
В то время как медленная диффузия и медленное карбоксилирование
при увеличении интенсивности света имеют тенденцию сдвигать кон-
Факторы концентрации
357
центрацию полунасыщения в сторону повышения, другие факторы,
такие, как «акцепторная блокада» (уравнение (27.75)) или недоста-
ток катализаторов, могут ее понизить. Уравнение (27.43) показывает,
например, что недостаток карбоксилазы Ед может заставить ijCO2]
либо увеличиться, либо уменьшиться при повышении интенсивности
освещения, в зависимости от того, будет ли Ке меньше или больше,
чем Ка. В этом случае экстраполирование v2rCO2] до нулевой интен-
сивности освещения все еще должно давать правильное значение Ка, но
для того, чтобы сделать возможным нелинейное экстраполирование,
необходимы систематические данные.
Наконец, при определенных условиях значение i,[CO2] может не
иметь вообще никакого отношения к константе карбоксилирования.
Это, безусловно, имеет место тогда, когда комплекс АСО2 практи-
чески не обладает способностью к диссоциации. Уравнение (27.49),
например, содержит только кинетические константы ka и k*r. Подоб-
ным же образом там, где мы постулировали, что углекислотное насы-
щение вызывается «детаутомеризацией» фотокомплекса НХ • Chi • Z,
мы видели из уравнения (27.68), что i/2[CO2] является функцией только
кинетических констант ka и kr.
Подводя итоги, можно сказать, что константа ^/Ка может быть
: ,[СО2] или	х/,(СО2], а углекислотные кривые, тем не менее,
остаются гиперболами. Явление «подбирания» и поглощение С*О2
в темноте свидетельствуют в пользу достаточно стабильного комплекса
АСО2 и, следовательно, против второй возможности. Поэтому вычислен-
ные выше значения Ка(~5-10-6 моль л) и АЛ(—7,9 ккал'моль)
следует рассматривать скорее как верхние, чем как нижние пределы;
другими словами, комплекс АСО2 является именно таким стабильным
или даже более стабильным, чем следует из этих значений. Вспомним,
что в гл. VIII сопоставление экспериментальных данных показало, что
свободные энергии карбоксилирования соединений типа RH-|-CO2 —*
->RCOOH составляют около +10 ккал)моль. Было также упомя-
нуто, что Рубен предложил объяснять исключительную стабильность
соединения АСО2 при фотосинтезе сопряжением карбоксилирования
с экзергоническим трансфосфорилированием — превращением фосфат-
ного эфира «высокой энергии» в фосфатный эфир «низкой энергии».
Другим аналогичным объяснением было бы допущение сопряжения
карбоксилирования с параллельным или последовательным экзергони-
ческим окислением-восстановлением, сопряжения, которое фактически
имеет место при поглощении двуокиси углерода, катализированном
некоторыми энзимами, выделенными из дрожжей и бактерий (сообще-
ние Липмана и Татла [104]; см. также Очоа [110]).
Проверка константы карбоксилирования, определенной при по-
мощи углекислотных кривых фотосинтеза, может быть произведена
весьма наглядно путем точных измерений поглощения двуокиси угле-
рода в темноте как функции концентрации СО2 в среде. Такие изме-
рения могут быть проведены при помощи радиоактивного углерода
358
Глава XXVII
или с использованием обычных аналитических методов. До сих пор
таких измерений сделано не было. Однако наблюдения Рубена с со-
трудниками (см. т. I, гл. VIII), повидимому, указывают, что ком-
плекс АСОо, хотя и очень медленно, но диссоциирует в вакууме и,
таким образом, обладает конечным, хотя, может быть, и очень малым,
давлением диссоциации.
Являются ли экспериментальные углекислотные кривые ги-
перболами? Следует отметить, что все теоретические углекислотные
кривые, рассмотренные в этой главе, представляют собой гиперболы.
Смит [84] проанализировал углекислотные кривые, полученные экспе-
риментальным путем, и в противоположность Бёрку и Лайнвиверу [78]
пришел к заключению, что многие из них достигают насыщения
быстрее, чем гипербола приближается к своей асимптоте. Поэтому
он попытался получить лучшее аналитическое выражение углекислот-
ных кривых, изменяя показатели степени в уравнении (27.9). Он
нашел, что эмпирическое уравнение
Р//РмаВ0—(27.77)
более удовлетворительно подходит как к его собственным результа-
там, так и к результатам Варбурга, Эмерсона и Грина, Гувера,
Джонстона и Брэкета. В области насыщения, где (РМако — Р) <CZ Р»
уравнение (27.77) не должно сильно отличаться от более простого
квадратного соотношения
Р/(РМШ[0 — Р) = К' [С02)а.	(27.78)
Показательные функции часто используются при интерпретации кри-
вых, которые быстро достигают насыщения. Хардер [25] пытался
выразить свои результаты следующей формулой:
(Рмакс — Р)/Рм»0 = e-°°nst [Сад	(27.79)
(аналогичной исправленной Митчерлихом и Бауле формулировке ли-
биховского «закона о минимуме» удобрения). Подобная же формули-
ровка была предложена Брэкетом [79]:
Рмако —Р = сопд{ . е_{[С02]-(Р/6Ис} .	(27.80)
.макс
В этом уравнении наличие поправочного члена Р/b в показателе сте-
пени связано с тем, что углекислотные кривые при низких значениях
[С021 асимптотически приближаются скорее к прямой линии, имею-
щей конечный наклон, чем к оси ординат. Поправочный член с при-
писывается дыханию. Показатель степени в целом должен представ-
лять «действительное количество С02, имеющееся в распоряжении
в том месте, где происходит фотосинтез». Первые два числа соот-
Факторы концентрации
359
ветствуют снабжению извне, третий — снабжению путем дыхания.
Местонахождение фактора концентрации в показателе степени, не-
обычное в кинетике реакций, связано с законом Бэра о поглощении
света. Однако двуокись углерода не поглощает света при фотосинтезе,
и поэтому неясно, почему ее концентрация должна появиться в пока-
зателе; вряд ли вообще можно думать, что уравнение Брэкета (так
же как и уравнение Хардера) представляет собой больше, чем
эмпирически приблизительную формулу, подходящую к некоторым
опытным данным.
Если верно, как утверждал Смит Г84], что углекислотные кривые,
безусловно, не могут быть представлены гиперболами, то возникает
вопрос, что же может вызвать их отклонения от гиперболической
формы и привести к более быстрому насыщению. Легко показать,
что соотношение между Р и [СО2], которое выражалось квадратными
уравнениями в ряде случаев, когда принималось, что внешняя дву-
окись углерода образует комплекс АСО2 в две реакционные ступени,
может быть представлено кубическим уравнением, если добавляется
третий, промежуточный процесс (например, В-|-АСО2-> ВСО2-4-А;
ВСО2 -|- фотопродукты —»• фотосинтез). Так как уравнение, пред-
ставляющие [ВСО2] как функцию [СО2], будет содержать высшие
показатели степени для |ВСО2] и только первую степень для [СО2],
то углекислотные кривые будут отклоняться от гиперболы скорее
в направлении более медленного, чем более быстрого приближения
к насыщению.
Определенно можно получить углекислотные кривые, которые
приближаются к насыщению более быстро, чем гиперболы, если пред-
положить, что равновесие карбоксилирования включает две (или более)
молекулы двуокиси углерода, например
2CO.,-J-A	А(СО2)2	(27.81)
или, в более общем виде,
нСО24-А^ А(СО2)п.	(27.82)
В этом случае условием термодинамического равновесия карбоксили-
рования (если предположить, что молекулы двуокиси углерода в ком-
плексе независимы друг от друга) будет:
[ А(СО2)п] = КаА0 [СО2]»/(1[СО2]«),	(27.83)
откуда
|Л<Со;Д(СО,)Г^|С0-1"-	'27-М)
Можно использовать этот вывод как исходный пункт для рас-
суждений, в которых предполагалось бы, что «конденсация» двуокиси
360
Глава XXVII
углерода в соединение Сп (где я может быть равно 3 или 6) дости-
гается не после фотохимического восстановления или между последо-
вательными фотохимическими восстановительными реакциями, а уже
в предварительной нефотохимической стадии карбоксилирования.
В этой связи можно привести наблюдения Ван-Риссельберга с сотруд-
никами {108], которые обнаружили признаки того, что двуокись угле-
рода восстанавливается на катоде полярографа после предварительного
образования полимерного адсорбционного комплекса, содержащего
шесть молекул СО2.
Изучение реакции Хилла (см. гл. XXXV) и поглощения С14 на
свету (см. гл. XXXVI) указывает на три возможных добавочных
усложнения кинетики поглощения двуокиси углерода при фотосинтезе.
1)	Процесс может включать в себя несколько карбоксилирований,
например одно типа С2->С8 и другое типа С8->С4. Так как в ста-
ционарном состоянии обе реакции должны протекать с одинаковой
скоростью, это усложнение не может особенно существенно изменить
кинетические выводы. Если почему-либо одно из карбоксилирований
станет актом, лимитирующим общую скорость, другое тоже должно
замедлиться в результате блокирующего действия накопляющихся
продуктов.
2)	Карбоксилирование может быть сопряженным с гидри-
рованием. Это — «восстановительное карбоксилирование», прообразом
которого служит прямая конверсия пировиноградной кислоты в
яблочную, о чем уже упоминалось на стр. 357. Другими словами,
реакция (27.2) вместо того, чтобы быть кинетически независимой,
может комбинироваться с первой ступенью механизма (27.5/1). Это
также вряд ли должно сильно изменить кинетические выводы, так
как «сопряжение», вероятно, означает простую последовательность двух
реакций, может быть катализируемых двумя активными группами
одной и той же белковой молекулы.
3)	Акцептор А может быть продуктом фотосинтеза, исчезаю-
щим в темноте. Это сделало бы Ао функцией скорости фотосин-
теза Р и привело бы к необходимости полного пересмотра кинети-
ческих уравнений, основанных на константном значении Ао.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА И ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
В гл. XXIV при обсуждении вопросов, касающихся флуоресцен-
ции в живой клетке, мы указывали на тесную связь, имеющуюся
часто между интенсивностью флуоресценции и фотосинтеза. Там мы
отметили, что вследствие существования такой связи измерение флуо-
ресценции стало важным методом изучения кинетики фотосинтеза.
Исходя из этого, мы поставили себе задачу сделать обзор по
влиянию различных внешних факторов на интенсивность флуоресцен-
ции хлорофилла in vivo параллельно с обзором материалов о влия-
нии этих факторов на скорость фотосинтеза.
Факторы концентрации
361
Следуя этому плану, мы должны в первую очередь описать изме-
нения интенсивности флуоресценции клеток живых растений, связан-
ные с изменениями в снабжении двуокисью углерода.
В общем, повидимому, можно считать установленным, что пони-
жение или полное прекращение снабжения двуокисью углерода влияет
обычно на выход флуоресценции, ©, в определенном интервале интен-
сивности освещения. Подобного эффекта не наблюдается при очень
слабом освещении; нет влияния, повидимому, и на очень сильном свету,
однако последнее обобщение нуждается еще в экспериментальном
подтверждении. У пурпурных бактерий удаление двуокиси углерода,
вызывающее обычно увеличение ©, производит иногда, при повышении
интенсивности света, противоположный эффект (см. фиг. 204). Так
как до сих пор не было выполнено систематических измерений © для
различных [СО2], то пока невозможно начертить углекислотные кри-
вые флуоресценции F=f [СО2]. Вместо этого имеются световые
кривые, показывающие интенсивность флуоресценции как функцию
интенсивности света с [СО2] в качестве параметра (обычно только
для двух различных концентраций двуокиси углерода или просто в при-
сутствии двуокиси углерода и без двуокиси углерода). Некоторые из
таких кривых будут приведены в главе XXVIII (см. фиг. 199, 203 и 204).
Здесь мы упомянем о некоторых фактах, которые будут там
представлены. Выход флуоресценции, ©, обычно остается постоян-
ным ('jj) до тех значений интенсивности света (или даже выше), при
которых фотосинтез становится светонасыщенным; однако раньше или
позже он начинает более или менее постепенно увеличиваться и до-
стигает в конце концов нового постоянного уровня (©2). Мы обозначим
интенсивность света, при которой этот переход начинается, через Г
и ту, при которой он заканчивается, через I". Эффект удаления
двуокиси углерода заключается, повидимому, в сдвиге положения этой
переходной области в сторону более низких интенсивностей. Так,
например, Мак-Алистер и Майерс [122] нашли, что при 4°/0 СО2
выход флуоресценции листьев пшеницы был постоянным до
600 • 103 эрг[см2 • сек, тогда как при 0,03% СО2 увеличение выхода
(приблизительно на 15—20°/0) происходило в пределах от 200
до 600 • 103 эрг)см2‘сек (см. фиг. 199).
Подобным образом Франк, Френч и Пак [123] обнаружили, что
установившийся уровень флуоресценции листа Hydrangea, при
I == 7 . 1 о3 эрг[см2 . сек, был в воздухе без СО2 приблизительно на
20°/о выше, чем в воздухе, содержащем 5% СО2. С другой стороны,
при 71 • 103 эрг/см2 • сек выход флуоресценции при 5°/0 СО2 уве-
личился настолько сильно, что переход к 0,03% СО2 не произвел
заметного эффекта.
Работая с культурой диатомовых водорослей (вид Nitzschia), Вас-
. синк и Керстен [126] нашли, что выход флуоресценции при интен-
сивном освещении в 50 • 103 эрг!см2 • сек в отсутствие двуокиси
углерода оказывается выше, чем в её присутствии. Фиг. 202 указы-
362
Глава XXVII
вает, что в этом случае расхождение кривых вызывается скорее пониже-
нием о у водорослей, снабжаемых двуокисью углерода, чем повыше-
нием <р у клеток, лишенных последней (как на фиг. 199 и 204, Л).
Вассинк, Катц и Доррештейн [125] заметили подобное действие
недостатка двуокиси углерода на выход флуоресценции пурпурных
бактерий; однако изменение было значительно менее сильно выражено,
чем то, которое вызывалось ограничением или полным удалением вос-
становителей (см. ниже). В отсутствие восстановителя (условие,
которое не может быть воспроизведено в зеленых растениях) удаление
двуокиси углерода не имело совсем никакого влияния на флуоресцен-
цию Chromatium (см. фиг. 203). В присутствии таких восстанови-
телей, как тиосульфат или водород, флуоресценция голодающих
в отношении СО2 бактерий была, однако, значительно сильнее, чем
флуоресценция клеток, снабжаемых двуокисью углерода (см. фиг. 204).
Эта разница имела место в интервале от 2 до 30 • 103 эрг; см?  сек.
При интенсивности света выше 30.103 эрг;слР  сек кривые флуо-
ресценции в присутствии и отсутствие двуокиси углерода опять
приближались друг к другу и, в конце концов, даже пересекались,
так что <р становился выше в присутствии, чем в отсутствие СО2.
Другими словами, флуоресценция в условиях, когда был возможен
фотосинтез, .оказывалась теперь выше, чем при подавлении фотосин-
теза. Это является хорошей иллюстрацией того, что взаимоотношение
между фотосинтезом и флуоресценцией не есть простая конкуренция
(см. конец гл. XXIV).
В гл. XXVIII мы разберем ряд возможных объяснений изменения
интенсивности флуоресценции хлорофилла на сильном свету. Одно
из них приписывает это изменение накоплению фотокомплекса
X • Chi • HZ (комплекс первичного окислителя -J- хлорофилл -|- первич-
ный восстановитель) в измененной форме. Это накопление обусловлено
тем, что каталитические темновые реакции не поспевают за первичным
фотохимическим процессом. Измененные формы фотокомплекса могут
иметь другой выход флуоресценции, во-первых, потому, что они
фотостабильны, т. е. не способны подвергаться первичному фото-
химическому изменению (например, X • Chi • HZ ХН • Chi • Z),
и, во-вторых, потому, что они имеют иную способность рассеивать
энергию возбуждения. Альтернативной или дополнительной причиной
является, согласно Франку, образование «наркотизирующего» веще-
ства в результате реакции избытка окисленного промежуточного про-
дукта с метаболитами; этот наркотик вытесняет реагенты из фото-
комплекса и таким путем вызывает изменения выхода флуоресценции.
Отсутствие двуокиси углерода замедляет регенерацию первичного
окислителя НХ или АСО2 после того, как он был восстановлен на
свету. Оно должно поэтому благоприятствовать накоплению фотоком-
плекса в такой форме, как НХ • Chi • Z или НХ • Chi • HZ, и это
накопление будет иметь следствием изменение (обычно увеличение)
выхода флуоресценции.
Факторы концентрации
363
Франк и Герцфельд [124] были склонны рассматривать влияние
двуокиси углерода на флуоресценцию растений как доказательство
того, что двуокись углерода в форме соединения с акцептором, АСО2,
является непосредственной частью светочувствительного комплекса
(т. е. что X в X • Chi • HZ идентичен с АСО.,).
Однако в томе I (стр. 173) были приведены доводы в пользу
того, что АС0.3 и X • Chi  HZ могут быть разделены промежуточными
окислительно-восстановительными системами; тем не менее исто-
щение АСО2 может вызвать накопление первичного окислителя X
в форме НХ и, как следствие этого, изменение интенсивности флуо-
ресценции.
Наблюдения над флуоресценцией пурпурных бактерий дали новый
материал для выяснения взаимодействия двуокиси углерода с флуо-
ресцирующим пигментным комплексом.
Вассинк, Катц и Доррештейн [125] наблюдали, что изменения кон-
центрации восстановителей влияют на флуоресценцию пурпурных
бактерий более сильно, чем изменения концентрации окислителя (СО2),
и что первый эффект сохраняется в отсутствие двуокиси углерода,
тогда как второй исчезает, если отсутствуют восстановители. На ос-
новании этого они пришли к заключению, что двуокись углерода
не вступает ни в прямой, ни в косвенный обмен энергией с возбу-
жденным хлорофиллом и что энергия возбуждения прямо или косвенно
воспринимается восстановителями (H2S, H.2S2O3, Н2... в пурпурных
бактериях, Н2О — в зеленых растениях). Названные авторы полагали,
что наблюдаемое небольшое влияние СО2 на флуоресценцию не имеет
реального значения, однако такое уппощение является неоправданным.
Франк с сотрудниками [127, 128], напротив, рассматривали уси-
ление флуоресценции хлорофилла у пурпурных бактерий в отсутствие
восстановителей как косвенный эффект, вызываемый накоплением
невосстановленного промежуточного продукта окисления при фото-
синтезе («фотоперекисей») и наркотизацией хлорофиллового аппарата
продуктами действия этих перекисей на клеточные метаболиты.
Исходя из этой точки зрения, они дали следующее объяснение дей-
ствию СО2 на выход флуоресценции, изменению этого эффекта в за-
висимости от интенсивности света и его исчезновению в отсутствие
восстановителей (у пурпурных бактерий).
Понижение концентрации СО2 влияет на выход флуоресценции
в том случае, если оно приводит к лимитированию фотосинтеза.
Если такое лимитирование имеет место, то хлорофилловый комплекс
становится свободным (истощенным в отношении окислителя АСО2)
и поглощенная им световая энергия не может быть использована
для первичного фотохимического процесса. Это уже само по
себе должно изменить выход флуоресценции (см. выше). Однако
Франк считает этот непосредственный эффект «оголения» значи-
тельно менее важным для флуоресценции, чем действие самонар-
котизации, которая является следствием оголения. Он постулирует,
364
Глава XXVII
что всякий раз, когда светочувствительный комплекс лишается дву-
окиси углерода, начинается фотоокисление (см. т. I, гл. XIX), в ре-
зультате чего появляется «наркотизирующий» промежуточный продукт
(возможно, карбоновая кислота), который присоединяется к хлоро-
филлу.
Такой механизм не может иметь места у пурпурных бактерий,
так как последние изучаются в анаэробных условиях; это объясняет,
почему удаление двуокиси углерода оказывает сравнительно малое
действие на флуоресценцию этих организмов. Отсутствие восстано-
вителей, наоборот, оказывает в этом случае сильное влияние вследствие
того, что под действием накопляющихся восстановленных фотопере-
кисей на свету образуются обильные количества «наркотика».
Можно задать себе вопрос: почему же стимулирующее действие
недостатка восстановителей на флуоресценцию сохраняется также и
в отсутствие двуокиси углерода? Ведь при этих условиях фотопере-
киси не образуются. Франк объясняет этот парадокс тем, что в экспе-
риментах неполностью удаляется СО2, образующаяся путем фермен-
тации. Он указывает, что некоторое количество водорода поглощается
пурпурными бактериями на свету даже в том случае, если в среде
отсутствует двуокись углерода. (В отдельных случаях ферментация
может привести к образованию «наркотизирующих» кислот также и
непосредственно, а не через восстановление на свету двуокиси угле-
рода, появившейся в результате ферментации.) Удаление внешней СО2
может совершенно не влиять на флуоресценцию в отсутствие восста-
новителей, потому что посредством ферментации производится вполне
достаточно СО2, чтобы фотохимический процесс не был лимитирован
недостатком СО2; вместо этого он остается лимитированным недостат-
ком восстановителя (т. е. скорость этого процесса, концентрация
наркотика и, следовательно, также интенсивность флуоресценции
остаются лимитированными скоростью реакции между фотоперекисями
и восстановителями).
Следует отметить, что представление Франка отличается от изло-
женных выше (см. стр. 363) в трех отношениях: 1) предполагается,
что с хлорофиллом связывается сам первичный окислитель АСО2,
а не промежуточный продукт X; 2) предполагается, что никакой пер-
вичный (или промежуточный) восстановитель ZH не соединяется
с хлорофиллом таким образом, чтобы его истощение также могло
вызвать увеличение выхода флуоресценции; 3) все значительные
изменения выхода флуоресценции объясняются наркотизацией по-
средством «полуокисленных» метаболитов, а не истощением реагентов.
Эти три предположения являются независимыми друг от друга; в ча-
стности, третье из них, возможно самое важное из всех в интерпре-
тации Франка, можно при желании совместить также с представлением
о первичном фотохимическим процессе, как об индуцированной светом
таутомеризации комплекса X • Chi • HZ( НХ • Chi • Z).
Факторы, концентрации
365
КОНЦЕНТРАЦИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ
Влияние на скорость восстановления двуокиси углерода
у бактерий
Первичным восстановителем при обычном фотосинтезе в зеленых
растениях является вода. Активность воды в клетках может быть
изменена посредством прямого оводнения и обезвоживания или путем
помещения клеток в растворы с различным осмотическим давлением.
Обе эти операции оказывают значительное влияние на фотосинтез.
Однако это влияние не может рассматриваться как кинетическое
явление, подчиняющееся закону действующих масс, так как оно свя-
зано с изменениями проницаемости и других коллоидных свойств
протоплазмы и клеточных мембран, от которых зависит в различной
степени всякая активность живой клетки. Действие обезвоживания
обсуждалось поэтому в гл. XIII (т. I, стр. 341), где мы имели дело
с различного рода физическим и химическим ингибированием и сти-
мулированием фотосинтеза.
Там было указано, что одним из путей, по которым обезвоживание
может ингибировать фотосинтез, является влияние обезвоживания на
устьица. Так как основная функция устьиц состоит в регулировании
транспирации, то естественно, что при обезвоживании они закрываются
(благодаря уменьшению тургора в замыкающих клетках). В этом
случае уменьшение активности одного из реагентов фотосинтеза, а
именно воды, может вызвать прекращение доступа другого реагента —
двуокиси углерода.
Более благоприятные условия для количественного изучения кине-
тики процесса создаются, если водород, сероводород, тиосульфат
или другие органические или неорганические вещества заменяют воду
в роли восстановителя, реагирующего с двуокисью углерода в пур-
пурных бактериях или в так называемых адаптированных водорослях
(см. т. I, гл. V и VI).
Фиг. 155 (по Френчу [129]) показывает влияние изменений кон-
центрации водорода на скорость фоторедукции двуокиси углерода
у Streptococcus varians. Суммарной реакцией в этом случае (см. т. I,
стр. 108) будет:
2Н.2 + СО2 —> {СН2О} + Н2О.
«Водородная кривая» имеет ту же самую типичную «форму насыще-
ния», что и кривые, представляющие скорость фотосинтеза как функ-
цию концентрации двуокиси углерода; полунасыщение достигается
приблизительно при 20 жж (2,5%) Н2, полное насыщение — выше
75 жж (10%). Вассинк с сотрудниками [131, 132] не нашел для Chro-
matium, находящейся в азоте, содержащем 5% СО2, никаких призна-
ков водородного насыщения вплоть до 2%Н2 (фиг. 156, А); отдельные
эксперименты при более высоких давлениях указывают, что насыщение,
366
Г лаб a XXVII
вероятно, достигается при содержании около 10% Н2, но определенно
ниже 15% (скорости процесса при 15 и 30% Н2 были одинаковыми).
Эти концентрации водорода приблизительно в 100 раз выше, чем те,
которые требуются для насыщения фотосинтеза двуокисью углерода
(для полунасыщения требуется около 0,03% СО2). По аналогии с ин-
терпретацией углекислотного насыщения, приведенной в первой части
этой главы, для объяснения водородного насыщения проще всего
допустить обратимое образование комплекса водород — акцептор с
Фиг. 155. Влияние давления водорода на скорость его
усвоения Streptococcus varians [129].
144 мм3 клеток; лампа накаливания помещена под коническим сосу**
дом; 25°; аргон+5°;о СО2; скорость в 95-процеьтном Н2 принята за 100.
константой диссоциации порядка 0,02 атм (для комплекса двуокись
углерода — акцептор константа равна 3 • 10-4 атм). С термодинами-
ческой точки зрения обратимое гидрирование (т. е. гидрирование
с энергией, близкой к нулю) не представляет никаких трудностей.
Со стороны кинетики, однако, эта проблема является менее простой,
так как мы не знаем ни одного органического соединения, которое
вело бы себя in vitro подобно металлическому палладию, т. е. при-
соединяло бы водород при высоком давлении и освобождало бы его
при уменьшении давления.
Результаты Френча для Streptococcus varians и Вассинка для Ch.ro-
matium с количественной стороны достаточно близки друг к другу,
Чтобы допустить, что водородный акцептор является одинаковым
в обоих видах. Этим общим акцептором может быть либо энзим
(гидрогеназа), либо соединение, обозначенное в главе VI (т. I) как Ан
Факторы, концентрации
367
(т. е. соединение, которое гидрируется до АнН2 при посредничестве
гидрогеназы).
Однако при интерпретации водородного насыщения фоторедукции
следует помнить, что допущение существования равновесия гидриро-
вания будет только одним из двух возможных объяснений. Так же
как и в случае углекислотных кривых, водородные кривые могут за-
висеть или даже полностью определяться кинетическими влияниями,
такими, как низкая скорость снабжения водородом и медленное ги-
дрирование (линейно поднимающейся части кривой) или ограничения
в снабжении светом, окислителем, а также недостаток катализатора
(в горизонтальной части кривой, которая следует за насыщением).
Фиг. 156. Скорость фотохимического восстановления двуокиси углерода
у Chromatium. (131].
А. Влияние [HJ: Z—нормальная шкала концентраций; II—шкала концентрации увеличена в 10 раз.
Б. Влияние [H2S].
5о/о СО2 в N2; pH 6,3; 29°; сильный свет.
Вассинк [1311 изучал скорость фоторедукции у того же самого
организма Chromatium, используя различные концентрации газообраз-
ного сероводорода в качестве восстановителя. Как показано на
фиг. 156, Б, начальная скорость была пропорциональна [H2S] при-
близительно вплоть до 2% (в азоте); в исследованных пределах кон-
центрации не было обнаружено никаких признаков насыщения. Более
высокие дозы сероводорода не могли быть использованы вследствие
быстрого отравления.
Влияние концентрации тиосульфата как восстановителя также
изучалось на Chromatium. Эймере и Вассинк [130] сначала нашли,
что скорость является постоянной между 0,16 и 2% тиосульфата,
из чего следует, что насыщающая концентрация лежит ниже 0,16%.
Более детальные измерения провели Вассинк, Катц и Доррештейн 1132],
которые получили полную тиосульфатную кривую P=f [тиосульфат],
воспроизведенную на фиг. 157. Она показывает полное насыщение
около 0,5% и полунасыщение немного ниже 0,1% тиосульфата (что
соответствует 0,06 моль'л Na2S2O8).
368
Г лая a XXVII
Фиг. 157.Концентрация тиосульфата
и скорость фотохимического восста-
новления двуокиси углерода у Chro-
matium [132].
5°/о СО2; pH 6,3; 29°; сильный свет.
Так же как и в случае изменения [С02], эффект изменения кон-
центрации восстановителей исчезает при слабом освещении, когда по-
ступление световых квантов становится фактором, лимитирующим
скорость процесса (см. фиг. 171).
Интересную кинетическую проблему открывает фоторедукция при
помощи смешанных восстановителей. Вассинк, Катц и Доррештейн
[132] провели ряд опытов, в которых клетки Chromatium снабжались
одновременно и водородом, и тиосульфатом (при pH 6,8). Они при-
меняли каждый восстановитель в
избытке (это означает, что коли-
чества каждого восстановителя,
взятого отдельно, было бы доста-
точно для насыщения) и вычислили
косвенным путем, из манометри-
ческих измерений, относительные
количества восстановителей, кото-
рые были израсходованы. В сред-
.нем оказалось, что на каждые две
молекулы двуокиси углерода, вос-
становленные за счет тиосульфата,
восстанавливалась одна молекула
СО2 за счет водорода. Если две
акцепторные системы — для Н2 и
HaS2O3 — отделены друг от друга,
то полученный результат может
означать или что клетки содер-
жат в 2 раза больше акцептора
тиосульфата, чем акцептора во-
дорода, или что первый акцептор
(в гидрированном состоянии) реа-
гирует с активированным фотокомплексом в 2 раза быстрее, чем
второй. С другой стороны, если в наличии имеется только водород-
ный акцептор и два донора конкурируют, снабжая его водородом,
тогда вышеприведенный результат теряет свое значение, так как
в этом случае относительное использование водорода и тиосульфата
будет зависеть от их относительных концентраций (даже если оба
восстановителя имеются «в избытке» — единственное указание на
условия опыта, которое было авторами сделано).
В гл. XXII мы упоминали о спектроскопических экспериментах
тех же исследователей. Результаты заставили авторов предположить,
что состав фотокомплекса X • Bchl • HZ (Bchl — бактериохлорофилл)
может быть сам по себе специфичным для каждого восстановителя,
т. е., что бактерии содержат множество комплексов X • ВсЬГ • HZ',
X . Bchl" • HZ"..., адаптированных к использованию различных вос-
становителей R'H, R"H... Эта гипотеза была предложена для объяс-
нения существования многочисленных полос поглощения и колебаний
Факторы, концентрации
369
в их относительной интенсивности у бактериохлорофилла in vivo.
Вассинк и его сотрудники считали, что если эта гипотеза соответ-
ствует действительности, то фоторедукция двуокиси углерода смесью
восстановителей должна быть аддитивной, а не отражать конкурен-
цию этих восстановителей. Между тем измерения скорости показали
наличие конкуренции, так как скорость общего потребления газа
в присутствии обоих восстановителей была всегда ниже, чем в чистом
водороде, и выше, чем в чистом тиосульфате. На основании этого
названные авторы пришли к заключению, что их прежнее объясне-
ние спектроскопических явлений несовместимо с результатами кине-
тических исследований. Однако этот аргумент был бы только тогда
решающим, если бы было определенно известно, что в условиях дан-
ного опыта скорость фоторедукции лимитировалась количеством вос-
становителя, доступного для реакции с фотокомплексом. Выше было
указано, что насыщение суммарной скорости в отношении восстано-
вителя часто может быть обусловлено лимитированием в каком-нибудь
другом месте фотосинтетического аппарата, например недостатком
«завершающего» катализатора Ев. Когда это имеет место, скорость
фоторедукции нельзя повысить увеличением количества восстановителя
или добавлением другого восстановителя, который может вовлечь
в работу ранее бесполезные, специфически к нему адаптированные
фотокомплексы.
При кинетических исследованиях деятельности пурпурных бакте-
рий следует помнить об их способности использовать в качестве
восстановителей органические материалы, включая внутриклеточные.
В этом случае мы также, как правило, встречаем конкуренцию, а не
аддитивность. Сигмообразную форму световых кривых потребления
водорода, отмеченную Френчем для Streptococcus vartans, и Вассинком,
Катцом и Доррештейном для Chromatium (см. фиг. 174), можно, ве-
роятно, интерпретировать как следствие этой конкуренции: на слабом
свету внутримолекулярные восстановители (возможно, сахара и их
производные) доставляют весь водород, необходимый для медленно
протекающей фоторедукции двуокиси углерода, поэтому внешнего
водорода используется очень мало. При более сильном освещении
диффузионное поступление внутриклеточных доноров оказывается недо-
статочным и более быстро диффундирующий молекулярный водород
становится основным восстановителем.
Чтобы по возможности уменьшить роль внутренних восстановите-
лей и таким образом получить световые кривые без сигмообразного
начального участка, Вассинк [131] попробовал перед экспериментом
истощить бактерии голоданием; однако он не обнаружил сколько-ни-
будь значительной разницы в результатах.
В настоящее время имеется только довольно ограниченный экспе-
риментальный материал по «восстановительным кривым» фоторедукции,
причем не было сделано попыток представить эти кривые аналити-
чески. Если принять общую схему фотосинтеза, приведенную в т. I
24 Зак. 4040. Е. Рабинович
370
Глава XXVII
(стр. 158, фиг. 15), то кинетическая роль восстановителей будет,
повидимому, симметрична роли двуокиси углерода. При аналитической
обработке вопроса о влиянии восстановителей на общую скорость
фоторедукции потребуется, следовательно, рассматривать те же типы
отдельных процессов, которые были использованы при анализе угле-
кислотного фактора, а именно: поступление посредством диффузии,
предварительные каталитические темновые реакции (такие, как свя-
зывание водорода акцептором при помощи гидрогеназы), освобожде-
ние акцептора от первичного окисленного продукта и «завершающие»
темновые реакции (такие, как стабилизация первичного окисленного
продукта). Согласно представлению Франка, завершающие темновые
реакции на окислительной стороне процесса, которые заключаются
в освобождении первичных продуктов окисления — фотоперекисей—пу-
тем их превращения в молекулярный кислород или путем их восста-
новления таким восстановителем, как водород или сероводород, обла-
дают той особенностью, что их неспособность поспевать за ходом
первичного фотопроцесса приводит не только к потере значительной
части первичных продуктов посредством обратных реакций, но также
и к реакции между ними и способными к окислению метаболитами.
Эта побочная реакция приводит, согласно Франку, к образованию
«наркотика», способного «окутать» хлорофилл и в результате этого
остановить первичный фотохимический процесс.
Остается открытым вопрос, связано ли участие воды в фотосин-
тезе в качестве восстановителя с какими-либо предварительными
превращениями, подобными тем, которые имеют место для двуокиси
углерода. Изобилие воды в каждой клетке позволяет, повидимому,
предположить, что даже если превращение такого рода, например
гидратация акцептора воды, необходимо, чтобы вода могла действо-
вать в качестве водородного донора, то скорость данной реакции,
безусловно, достаточно велика и реакция эта не может быть лимити-
рующим фактором при фотосинтезе. Однако если связывание воды,
которое мы обозначили символами Н2О —> {Н2О{ в схеме на фиг. 15
(т. I) и которое мы можем теперь по аналогии с уравнением (27.2)
написать в виде
Н2О4-А' А'Н2О,	(27.85)
является энзиматическим процессом, то ограниченное количество эн-
зима (особенно в соответственно ингибированном состоянии) может,
конечно, стать фактором, лимитирующим скорость процесса, несмотря
на сверхизобилие реагента Н2О в клетке.
Влияние на выход флуоресценции
Оводнение и обезвоживание растительных клеток оказывает силь-
ное влияние на интенсивность флуоресценции хлорофилла in vivo.
Однако и в этом случае, так же как и в случае газообмена, трудно,
Факторы. концентраций
371
если не невозможно, провести границу между безусловно возможными
непосредственными кинетическими эффектами и косвенными влияниями,
вызываемыми изменением в коллоидной структуре белково-пигментно-
липоидного комплекса. Мы должны здесь сослаться на описание соот-
ветствующих явлений в гл. XXIV.
Изучение опять становится заметно более плодотворным, если
в качестве объекта используются пурпурные бактерии. Было найдено,
что концентрация восстановителей, таких, как Н2, H2S или H2S2O3,
сильно влияет на выход флуоресценции бактериохлорофилла в этих
организмах. Это явление иллюстрируется световыми кривыми флуорес-
ценции, приведенными на фиг. 205, 206 и 207 (фигуры взяты из ра-
боты Вассинка, Катца и Доррештейна [132] с Ch.romati.um). Кривые на
фигурах представляют интенсивность флуоресценции F (не выход <?)
как функцию интенсивности падающего света, с концентрацией вос-
становителя [HR] в качестве параметра. Фиг. 205 дает сравнение
эффекта трех различных восстановителей; фиг. 206 — серию измере-
ний с тиосульфатом различной концентрации и фиг. 207 — подобную
серию при различном давлении водорода. В обоих последних случаях
увеличение концентрации восстановителя приводит к удлинению
линейной части флуоресцентной кривой (части, которая соответ-
ствует выходу флуоресценции, получающемуся при слабом осве-
щении).
Фиг. 208 показывает критическую интенсивность /с (определенную
на фиг. 201) как функцию концентрации тиосульфата. Кривая очень
похожа на соответствующую кривую газообмена (см. фиг. 157). Она
показывает, что удаление восстановителя может понизить начальную
точку интервала перехода от 11 до 2- 10s эрг/см2 • сек.
При обсуждении выхода фотосинтеза в зависимости от [СО2] мы
неоднократно встречались с эффектами, приписываемыми истощению
молекулярной СО2 в непосредственной близости от растений. Это
явление может быть устранено: 1) забуфериванием при помощи би-
карбоната; 2) использованием одноклеточных водорослей для увеличе-
ния поверхности газообмена и 3) перемешиванием.
Растворимость водорода в воде значительно меньше, чем раство-
римость двуокиси углерода, и применение буферов тут невозможно.
Поэтому при использовании водорода в качестве восстановителя можно
ожидать, что истощение будет наступать более легко и не может быть
устранено полностью даже при работе с одноклеточными организмами,
как, например, с пурпурными бактериями. Единственное, что может
помочь, это интенсивное перемешивание, так как сравнительно быстрая
диффузия водорода в воде позволяет поддерживать равномерное рас-
пределение этого восстановителя. Вассинк и его сотрудники |132]
наблюдали, что в присутствии в газовой фазе 15°/0Н2 флуоресценция
Chromatlum на сильном свету после прекращения встряхивания быстро
(за 1 мин.) увеличивалась на 20—25%. Фиг. 207 позволяет легко
понять даже большее увеличение.
24*
372
Глава XXVH
По наблюдениям Вассинка, Катца и Доррештейна, влияние [СО2]
на флуоресценцию бактерий исчезает, если прекращается поступление
восстановителей (см. фиг. 203). В противоположность этому влияние
восстановителей на флуоресценцию остается значительным даже в от-
сутствие двуокиси углерода (см. фиг. 209). Вассинк и его сотруд-
ники рассматривали эту разницу как подтверждение своих основных
представлений о том, что восстановители непосредственно участвуют
в фотохимическом процессе в качестве «акцепторов энергии», тогда
как двуокись углерода вовсе не реагирует с первичным фотопродук-
том. Франк и Герцфельд, напротив, допускали непосредственное
участие двуокиси углерода (в форме комплекса АСО2) в первичном
фотопроцессе и ссылались на влияние удаления двуокиси углерода
как на доказательство этого участия. Значительно более сильное
влияние отсутствия восстановителей они приписывали непрямому меха-
низму «самонаркотизации» в результате накопления невосстановлен-
ных фотоперекисей. Позже Франк предположил, что действие, которое
оказывает недостаток СО2, также обусловлено главным образом нар-
котизацией, произведенной продуктами фотоокисления.
Не прибегая к представлениям о наркотизации, можно объяснить
действие восстановителей, основываясь на существовании «фотоком-
плекса» X • Chi • HZ, который подвергается первичному фотохимиче-
скому превращению в НХ • Chi • Z, с последующим переходом Н от X
к СО2 посредством темновых реакций и переходом Н к Z от Н2О
(или от одного из заменителей-восстановителей, таких, как Н2 или
H2S2O3). В то время как голодание в отношении СО2 может привести
к накоплению фотокомплекса в восстановленной форме, например
НХ • Chi • HZ, отсутствие восстановителей может привести к накопле-
нию окисленной формы X • Chi • Z; в отсутствие и СО2, и восстано-
вителей на сильном свету может накапливаться таутомерная форма
НХ • Chi • Z.
Каждая из этих четырех форм должна иметь свой характерный
выход флуоресценции, лимитированный скоростью диссипации вну-
тренней энергии, а для нормальной формы X • Chi • HZ — также кон-
куренцией флуоресценции с первичным фотопроцессом (X • Chi • HZ ф-
ф- hv —> НХ • Chi • Z). Условия, при которых следует ожидать пре-
обладания той или другой из трех форм на сильном свету, суммиро-
ваны в следующем виде:
Условия накопления
окислитель восстановитель
(СОг)
Таутомерная форма (HX-Chl-Z).............	—	—
Восстановленная „ (НХ • Chi • HZ)	....	—	-ф
Окисленная „ (X • СЫ • Z)................	+	—
Какая форма будет накапливаться на очень сильном свету, если и
окислитель, и восстановитель имеются в изобилии (случай-]—1~),
Факторы концентрации
373
заранее предсказать нельзя, так как это будет зависеть от того, какой
из процессов снабжения указанными реагентами первым начнет отста-
вать от первичного фотопроцесса.
Если влияние отсутствия двуокиси углерода на флуоресценцию
обусловлено накоплением формы НХ • Chi • HZ, тогда как влияние
«RH-голодания» вызывается накоплением формы X • Chi • Z, то отсут-
ствие действия СО2 у клеток, лишенных восстановителя RH, можно
интерпретировать как доказательство того, что формы НХ . Chi • Z и
X • СЫ • Z обладают одинаковой способностью флуоресцировать (или,
может быть, как указание на то, что в отсутствие и двуокиси угле-
рода, и восстановителя комплекс накапливается в той же форме
X • Chi • Z, в какой он накапливается в отсутствие только восстанови-
телей).
Как упоминалось выше, гипотеза Франка, приписывающая всякое
сильное увеличение флуоресценции наркотизации хлорофиллового
комплекса, не является несовместимой с интерпретацией первичного
фотохимического процесса как перехода водорода в комплексе
X • Chi • HZ; в ней только подразумевается, что разница в способности
к флуоресценции различных форм этого комплекса (X • Chi • HZ,
НХ • Chi • Z, X • Chi • Z и НХ • Chi • HZ) имеет меньшее значение, чем
разница между всеми ними и «наркотизированной» формой.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ИНГИБИТОРОВ
Неорганические ионы
Влияние концентрации водородных ионов обсуждалось в главе VIII
(т. I), а также в первой части данной главы с точки зрения корре-
лированных сдвигов равновесия системы карбонат-бикарбонат-двуокись
углерода. Мы хотели бы знать (но пока еще довольно мало успели
в этом отношении), определяется ли скорость фотосинтеза только
концентрацией молекул свободной двуокиси углерода СО2, в непо-
средственном окружении клетки, или ионы угольной кислоты также
участвуют в фотосинтезе непосредственно, а не только благодаря
тому, что они служат резервом для быстрого пополнения расходуемых
нейтральных молекул СО2. Одним из факторов, осложняющих разре-
шение вопроса, было то, что изменение [НС Оз" ] при постоянной [СО2]
не достигалось и не могло быть достигнуто без соответствующего
изменения в [ОН ], т. е. без изменения pH. И хотя некоторые водо-
росли, например Chlorella, способны к эффективному фотосинтезу
в широких пределах кислотности (скажем, от pH 4,5 до 10), это
еще не доказывает, что наблюдаемые изменения скорости процесса
могут быть целиком приписаны колебаниям в [СО2], а не измене-
ниям pH. Некоторые одноклеточные водоросли, например Hormidium,
безусловно повреждаются щелочной средой.
Экспериментальные данные по этому вопросу, описанные в томе I
(стр. 347, 348), могут быть теперь пополнены результатами Вассинка,
374
Глава XXVII
Катца и Доррештейна [132], полученными на пурпурных бактериях.
Если применяются такие восстановители, как тиосульфат или серо-
водород (или ингибиторы, такие, как цианид), то влияние pH ослож-
няется изменением ионной диссоциации этих слабых кислот, в до-
бавление к осложнениям, вызываемым диссоциацией угольной кислоты.
На фиг. 158 показано влияние pH на восстановление двуокиси
углерода Chromatlum в 1-процентном тиосульфате. Кривая, получен-
ная с применением фосфатных буферных растворов, обнаруживает
/
Фиг. 158. Влияние pH на фото-
химическое восстановление дву-
окиси углерода тиосульфатом у
Chromatlum [132].
5®'о СО2; 1°'о тиосульфата; 29е; сильный
свет.
Фиг. 159. Влияние pH на скорость
фотохимического восстановления дву-
окиси углерода водородом у Ch.ro-
matium [132].
Z—высокая интенсивность света, 5°!о СО,.
15°/о Н2; II—низкая интенсивность света, 5°|»
СО2, 15°/о Н,.
небольшой максимум для Р при pH 6,3, с последующим резким пони-
жением. Этот эффект исчезает при низких интенсивностях света
(как это всегда имеет место при эффектах, не связанных с первич-
ным фотопроцессом). В случае применения водорода в качестве вос-
становителя влияние pH было совершенно другим (фиг. 159). Ско-
рость Р (на сильном свету) непрерывно увеличивалась при увеличении
щелочности.
Одним из факторов, от которых может зависеть понижение Р при
увеличении pH в тиосульфате, является уменьшение концентрации
недиссоциированных H2S2O8 молекул; между тем, очевидно, тиосуль-
фат проникает в клетки и используется там в качестве восстанови-
Факторы концентрации
375
теля в основном именно в виде недиссоциированных молекул. Согласно
данным фиг. 157, концентрация восстановителя в 1-процентном тио-
сульфате не является лимитирующим фактором при pH 6,3. Может
ли она стать таковым при повышении щелочности — вопрос, требую-
щий экспериментального исследования.
Увеличение Р с повышением pH, наблюдающееся при использо-
вении водорода в качестве восстановителя, можно, вероятно, рассма-
тривать как новый аргумент в пользу предположения о прямом учас-
тии ионов НСОз" в фотосинтезе, если вообще имеет смысл принимать
Фиг. 160. Влияние pH на флуоресценцию Chromatium [132].
Л. 5в,'о со2; 1°’о тиосульфата; 29е; сильный свет: /«3.10*10* эрг1см**сек. Б. SMoCOs? 15°,’оН2; 25е;
сильный и слабый свет: I—интенсивность света равна 3,10*10* дрг!см*»сек\ II—интенсивность
света равна 0,79*10* 9рг(см9*сек,
во внимание подобные аргументы. Более правдоподобно было бы интер-
претировать уменьшение Р с pH для тиосульфата и его увеличение
для водорода как доказательство того, что pH по-разному влияет на
энзиматические процессы, посредством которых эти два восстанови-
теля достигают фотокомплекса.
Влияние pH на флуоресценцию бактериохлорофилла также изучалось
Вассинком и его сотрудниками. С тиосульфатом в качестве восстано-
вителя флуоресценция при pH 7,6 была приблизительно на 30°/о
интенсивнее флуоресценции при pH 6,0 (фиг. 160, А) — результат,
который может объясняться понижением концентрации активного вос-
становителя (недиссоциированной H2S2O3) при более высоком pH. Как
и следовало ожидать, зависимость интенсивности флуоресценции от
pH становится обратной, если восстановителем служит водород
376
Глава XXVII
(фиг. 160, Б), т. е. там, где условия для энзиматической подачи
восстановителя, повидимому, более благоприятны в щелочном рас-
творе.
Влияние различных неорганических ионов на скорость фотосин-
теза также было описано в гл. XIII. Единственные систематические
данные, показывающие скорость фотосинтеза в зависимости от кон-
центрации ингибирующего иона, были получены Гринфильдом [136].
Некоторые из этих кривых были воспроизведены на фиг. 47 (т. I,
стр. 349). Среди новых результатов, имеющих отношение к этому
вопросу, мы можем указать на наблюдения Варбурга и Люттгенса [140],
которые обнаружили, что для восстановления хинонов изолирован-
ными хлоропластами требуется присутствие ионов хлоридов (см.
гл. XXXV).
Яды и наркотики
В гл. XII (т. I) влияние различных ингибиторов на скорость фото-
синтеза обсуждалось главным образом с качественной стороны, хотя
были приведены и некоторые количественные данные, например кри-
вая, показывающая скорость выделения кислорода Chlorella как
функцию концентрации фенилуретана (см. т. I, фиг. 43). Систе-
матические кинетические исследования должны включать в себя также
измерения скорости с различными количествами ядов, и о неко-
торых таких измерениях было сообщено в последнее время, в част-
ности Вассинком, Катцом и Доррештейном [138]. Эти исследователи
нашли, что фоторедукция двуокиси углерода пурпурными бактериями
(Chromatium D) так же чувствительна к цианиду, как и фотосинтез
Chlorella. С тиосульфатом в качестве восстановителя определенное
ингибирование наблюдалось даже при слабом освещении, например
порядка 2 000 эрг) см?  сек, тогда как при восстановлении молеку-
лярным водородом (так же как и при нормальном фотосинтезе) дей-
ствие цианида полностью прекращалось на слабом свету при / < 4 000
эрг!см2  сек. Вассинк и Керстен [139] обнаружили значительное влия-
ние цианистого водорода также на фотосинтез диатомовых водорослей
при слабом освещении (~2 000 эрг/см? • сек) — результат, который
отличается от многих наблюдений над зелеными водорослями и выс-
шими растениями.
На фиг. 161 показана связь между Р и [KCN] для Chromatium
(с водородом или тиосульфатом в качестве восстановителя) и для
Nitzschia. Фотосинтез Chromatium ингибируется наполовину прибли-
зительно при 2,5 • 10"30/о KCN (как с водородом, так и с тиосульфа-
том). pH (от 6,3 до 7,6) влияет на ингибирование в присутствии
тиосульфата и не сказывается в случае водорода, поэтому объясне-
ние влияния pH разницей в активности молекулярной HCN и ионов
С№ (см. т. I, стр. 310) кажется сомнительным. Нафиг. 161, Б пока-
зано, что фотосинтез Nitzschia ингибируется наполовину при кон-
Факторы, концентрации
377
центрации KCN около 1,5 • Ю-80/0, или около 2 • 10“8 моль!л. Соот-
ветствующие данные для Chlorella, Hormidium и других водорослей
см. в табл. 42 т. I (стр. 314).
Действие цианида на установившуюся флуоресценцию Chroma-
tium показано на фиг. 219. Оно является довольно сложным, но
Ф и г. 161. Действие цианида на фотохимическое восстановление двуокоси
углерода.
А. У Chromatium в тиосульфате и водороде (15%) [138]. Б. У Nitsschia (в сопоставлении
с действием цианида на дыхание).
в общем сводится к увеличению F при низких интенсивностях и по-
нижению ее при высоких интенсивностях освещения и, следовательно,
напоминает действие углекислотного голодания (см. фиг. 204, А и Б).
Эта аналогия усиливается тем, что [KCN] подобно [СО2] не оказы-
вает влияния на F в отсутствие восстановителей, за исключением
концентраций KCN намного больших 0,01%, при которых флуоресцен-
ция сильно подавляется; полное прекращение восстановления двуокиси
углерода происходит гораздо раньше, около 0,015% KCN.
Гидроксиламин. В гл. XII (т. 1, стр. 319) мы установили, что
гидроксиламин является сильным ядом, действие которого довольно
сложно. Наряду с тем, что гидроксиламин при обычном фотосинтезе
378
Глава XXVII
Концентрация МН20Н-НС1, %
Фиг. 162. Действие солянокислого гидро-
ксиламина на восстановление двуокиси
углорода у Chromatium [132].
I—нормальная шкала концентрации; П—шкала кон-
центрации увеличена в 10 раз.
5°;в СОа; 15°,'о Нг; pH 7,16; 29е; сильный свет.
особенно сильно влияет на процесс, освобождающий кислород, он
действует, хотя только в высоких концентрациях, и в двух других
случаях: он ингибирует редукцию двуокиси углерода водорослями,
адаптированными к водороду (редукцию, при которой кислород не
выделяется), а также «де-
адаптацию» этих водорослей.
Оба эффекта могут быть
объяснены при допущении,
что гидроксиламин имеет
сродство или непосредствен-
но с первичным окисленным
продуктом Z (в фотоком-
плексе X • Chi • HZ), или
с энзимом, с которым Z дол-
жен реагировать, чтобы пре-
дохранить себя от уничтоже-
ния посредством обратных
реакций.
Новые эксперименты Вас-
синка и его сотрудников
[138] показали, что влияние
солянокислого гидроксил-
амина на фоторедукцию дву-
окиси углерода пурпурными
бактериями (Chromatium) не-
сколько сильнее, чем выше-
упомянутое действие его на
подобную же реакцию у Sce-
nedesmus, адаптированного
к водороду. Следующие
цифры иллюстрируют ска-
занное: нормальный фото-
синтез Scenedesmus пода-
вляется на 50% при 5 • 10-*
моль[л', фоторедукция адап-
тированного Scenedesmus не показывает падения ниже 50% при
любой концентрации вплоть до 3 • 10-2 моль^Л’, фоторедукция Chro-
matium подавляется на 50% при 3 • 10~3 моль!л (фиг. 162). В про-
тивоположность данным, полученным Уэллером и Франком [135]
с Chlorella (см. т. I, стр. 320), в опытах с бактериями при слабом
освещении не было найдено никакого ингибирующего действия гидро-
ксиламина (см. т. I, фиг. 41 и т. II, фиг. 181). Такая разница понятна,
если влияние гидроксиламина на фотосинтез при слабом освещении
обусловлено его действием на энзим, освобождающий кислород (этот
энзим обозначен через Ео или Ео в т. I); возможный аутокаталитиче-
ский механизм этого действия обсуждался в т. I (стр. 321).
Факторы концентрации
379
Как было установлено, в отсутствие восстановителей солянокислый
гидроксиламин не оказывает никакого действия на флуоресценцию
Chromatium вплоть до концентрации в О,5°/о. В присутствии восста-
новителей гидроксиламин вообще вызывает увеличение интенсивности
флуоресценции; однако это действие становится заметным только при
концентрации выше О,О5°/о, тогда как редукция двуокиси углерода
наполовину ингибируется уже при О,ОЗ°/о яда (см. фиг. 220). Таким
Фиг. 163. Действие азида натрия на скорость фотохимического восстано-
вления двуокиси углерода у Chromatium [132].
А, 15°'о водорода. Б. 1°/о тиосульфата: /—нормальная шкала концентрации; II—шкала концент-
рации увеличена в 10 раз.
5°/о СО2; pH 6,3; 29°; сильный свет.
образом, ингибирование бактериального фотосинтеза гидроксиламином
представляет собой, повидимому, сложное явление, первая стадия ко-
торого не оказывает влияния на флуоресценцию, тогда как вторая
вызывает увеличение выхода флуоресценции.
Азид натрия. В т. I (стр. 327) упоминалось только об одном
случайном наблюдении ингибирования фотосинтеза азидом. С того
времени действие на газообмен и флуоресценцию Chromatium этого
типичного яда для катализаторов, содержащих тяжелый металл, было
количественно изучено Вассинком, Катцом и Доррештейном [138]. На
фиг. 163, А и Б, показаны скорости фоторедукции молекулярным
водородом и тиосульфатом как функция концентрации азида. Концен-
трация, производящая половинное ингибирование, в случае водорода
составляет около О,О2°/о и в случае тиосульфата — около О,О1°/о
380
Глава XXVII
азида натрия. Как ни странно, но особенно сильное ингибирование
было обнаружено при слабом освещении (см. фиг. 181).
Действие азида на флуоресценцию также отличалось от действия
других энзиматических ядов, таких, как цианид и гидроксиламин.
Во-первых, азид оказывал сильное влияние на флуоресценцию даже
в отсутствие восстановителей (см. фиг. 221, А); во-вторых, типичным
результатом воздействия азида было значительное понижение выхода
флуоресценций, особенно при высоких интенсивностях освещения.
Все три явления (ингибирование газообмена при низких интенсив-
ностях света, влияние на флуоресценцию в отсутствие восстановите-
лей и понижение интенсивности флуоресценции) указывают, что этот
яд совсем не влияет на энзиматическое снабжение фотосинтетического
аппарата окислителем (двуокисью углерода) или восстановителем (на-
пример, водородом) или влияет не только на него, а действует также
непосредственно на первичный фотокомплекс X • Chi • HZ, возможно,
заменяя восстановитель HZ в этом комплексе. Следует ожидать, что
такое тесное соединение азида с фотокомплексом может привести
к разложению этого яда на свету. Это предположение, вероятно,
можно проверить путем эксперимента.
Уретаны. В гл. XII (т. 1, стр. 331) «наркотизирующее» действие
фенилуретана на фотосинтез Chlorella, являющееся, повидимому, оди-
наково сильным при всех интенсивностях освещения, иллюстрировалось
фиг. 43, взятой из ранней работы Варбурга [133]. На этой фигуре
показано, что половинное ингибирование происходит при концентра-
ции 2 • 10-4 моль) л. В табл. 44 т. I, взятой из той же стйтьи, пока-
зано, что половинное ингибирование наступает при 5 • 10-4 моль[л для
фенилуретана и при 0,22 моль/л — для этилуретана.
Кривая ингибирования для Chlorella, полученная Вассинком с со-
трудниками [134] (см. т. I, фиг. 44), указывает на половинное инги-
бирование приблизительно при 2,5°/0, или 0,02 моль'л, этилуретана,
а измерения Вассинка, Катца и Доррештейна [138] с Chromatlum
(фиг. 164) определяют соответствующую величину в 1,3°/0, или
0,01 моль)л, при 29°. Вассинк и Керстен [139] нашли цифру в 2°/0
для концентрации половинного ингибирования у диатомовой водоросли
Nitzschia dissipata. Действие уретана на Chromatlum обладает специ-
фической особенностью, свойственной также азиду, а именно: усиле-
нием ингибирования при малых интенсивностях освещения. Это ведет
к более резко выраженной сигмообразной форме световых кривых
фоторедукции ингибированных клеток (см. фиг. 181, Д).
Более слабое ингибирование при высоких интенсивностях света,
т. е. световые кривые «типа 3» (см. гл. XXVI), теоретически можно
было бы объяснить, если принять, что наркотик частично покрывает
фотокомплекс, содержащий хлорофилл, но оставляет нетронутым
знзим, который определяет лимитирование выхода фотосинтеза при
сильном освещении. В этом случае уменьшение ингибирования при
повышении интенсивности освещения должно было бы вызываться
Факторы концентрации
381
продолжающимся увеличением скорости фотосинтеза наркотизирован-
ных клеток в тех пределах интенсивности, в которых фотосинтез
неингибированных клеток является светонасыщенным. Фиг. 181, Д,
показывает, однако, что световое насыщение для обеих кривых проис-
ходит при одинаковой интенсивно-
сти, из чего следует, что данное
объяснение является неподходящим.
Согласно Вассинку и Керстену
[139], ингибирование уретаном Nitz-
schia при слабом освещении несколько
менее сильно, чем при интенсивном
освещении.
Влияние этилуретана на флуорес-
ценцию Chromatium напоминает влия-
ние азида. Добавление уретана, так
же как и воздействие азида, вызы-
вает уменьшение интенсивности флуо-
ресценции в отсутствие восстановите-
лей (см. фиг. 224, Д). Если присут-
ствуют такие восстановители, как во-
дород или тиосульфат, и вслед-
ствие этого флуоресценция ненарко-
тизированных клеток значительно
ослабляется, добавление уретана вы-
зывает увеличение F (см. фиг. 224, Б),
так что интенсивность флуоресцен-
ции в конце концов становится при-
близительно одинаковой в присут-
ствии и в отсутствие восстановителя.
Заслуживает внимания то обстоя-
тельство, что в полностью нарко-
Концентрация этилуретана, %
Фиг. 164. Действие этилуретана
на фотохимическое восстановле-
ние двуокиси углерода у Chro-
matium [132].
5э1о СО,; 15°|о Н2; pH 7,6; 29°; сильный свет.
тизированном состоянии, например при 3°/0 этилуретана, когда газо-
обмен полностью ингибирован (см. фиг. 164), исчезает характерная
кривизна флуоресцентных кривых бактерий (см. фиг. 224, Б).
Эти результаты можно объяснить, допуская, что уретан реагирует
непосредственно с первичным фотохимическим комплексом X • Bchl • HZ
и что продукт взаимодействия характеризуется выходом флуоресцен-
ции, средним между выходами форм X • Bchl • HZ и X • Bchl • Z.
Кислород. В гл. XIII (т. I, стр. 336) мы описали ингибирующее дей-
стве избытка кислорода на фотосинтез. Световые кривые фотосинтеза и
флуоресценции в присутствии и в отсутствие кислорода будут обсу-
ждаться в гл. XXVIII. Варбург [133] был единственным исследова-
телем, который провел систематические измерения фотосинтеза при
различном давлении кислорода, позволяющие начертить кислородную
кривую Р =/[О2]; его результаты воспроизведены в т. I на фиг. 45.
Кривая показывает наиболее крутое понижение скорости между 0 и
382
Глава XXVH
20% кислорода. Этот результат оспаривался Вассинком и его сотруд-
никами [134], которые не нашли никакой разницы между скоростями
при 0 и 20% кислорода, но обнаружили значительное падение при
изменении концентрации от 20 до 100%.
ЛИТЕРАТУРА
Экспериментальные кривые двуокиси углерода
1.	De Saussure Т., Recherches chimiques sur la vegetation, Paris, 1804.
2.	Boussaingault J. B., Compt. rend., 60, 872 (1865).
3.	BOhm J., Sitzber. Akad. Wiss. Wien, Math.-naturw. Klasse, Abt. I, 68,
171 (1873).
4.	Stefan M. J., Sitzber. Akad. Wiss. Wien, Math.-naturw. Klasse, Abt. II, S3,
943 (1881).
5.	Kreusler U., Landw. Jahrb., 14, 913 (1885).
6.	Kreusler U., Landw. Jahrb., 16, 711 (1887).
7.	Blackman F. E., Trans. Roy. Soc. London, B186, 503 (1895).
8.	Ewart A. J., J. Linnean Soc. London, 31, 364 (1896).
9.	Brown A. T., Escombe F., Trans. Roy. Soc. London, B193, 223 (1900).
10.	Brown H. T., Escombe F., Proc. Roy. Soc. London, B70, 397 (1902).
11.	Chapin P„ Flora, 91, 348 (1902).
12.	Treboux O„ Flora, 92, 49 (1903).
13.	Pantanelli E., Jahrb. wiss. Botan., 39, 167 (1903).
14.	Demoussy E., Compt. rend., 139, 883 (1904).
15.	Nathansohn A., Ber. sdchs. Ges. wiss., Math.-naturw. Klasse, 59, 211 (1907).
16.	Renner O., Flora, 100, 451 (1910). -
17.	Nathansohn A., Der Stoffwechsel der Pflanze, Quelle und Meyer, Leipzig, 1910.
18.	Angelstein U„ Beitr. Biol. Pflanz., 10, 87 (1911).
19.	Blackman F. F., Smith A. M., Proc. Roy. Soc. London, B83, 389 (1911).
20.	Renner O., Ber. deut. botan. Ges., 29, 125 (1911).
21.	Klein, Reinau E., Chem. Ztg., 38, 545 (1914).
22.	Brown H. T., J. Chem. Soc., 113, 559 (1918).
23.	Warburg O., Biochem. Z., 100, 230 (1919).
24.	Freeman G. F„ Botan. Gaz., 70, 190 (1920).
25.	Harder R., Jahrb. wiss. Botan., 60, 531 (1921).
26.	Lundegardh H., Svensk. botan. Tid., 15, 46 (1921).
27.	Sierp H., Noack K., Jahrb. wiss. Botan., 60, 459 (1921).
28.	Wiimott A. J., Proc. Roy. Soc. London, B92, 304 (1921).
29.	Ильин В. C., Flora, 16, 360 (1923).
30.	Chapman E. E., Cook W. R. I., Thompson N. L., New Phytologist, 23, 50 (1924).
31.	Lundegardh H., Der Kreislauf der Kohlensaure in der Natur, Fischer, Jena,
1924, p. 127.
32.	Schroeder H., Flora, 117, 270 (1924).
33.	Noack K., Z. Botan., 17, 481 (1925).
34.	Noack K., Naturwissenschaften, 14, 383 (1926).
35.	Noack K., Z. angew. Chem., 39, 302 (1926).
36.	Rippel A., Z. Pflanzenerndhr. Dilngung und Bodenk., B5, 49 (1926).
37.	Osterhout W. J. V., Dorcas M. J., J. gener. Physiol., 9, 255 (1926).
38.	Шутов Д. A., Planta, 2, 132 (1926).
39.	Dahm P., Jahrb. wiss. Botan., 65, 314 (1926).
40.	Bode H. R„ там же, 65, 352 (1926).
41.	Reinau E., Praktische Kohlensaurediingung in Gdrtnerei und Landwirtschaft,
Springer, Berlin, 1927.
42.	Romell L. G„ Flora, 121, 125 (1927).
43.	Костычев С., Базырина К., Васильев Г., Biochem. Z., 182, 79 (1927).
Факторы концентраций
383
44.	Sierp Н., Seybold A., Planta, 3, 115 (1927).
45.	Geiger М., Jahrb. wiss. Botan., 67, 635 (1927).
46.	Huber B„ Ber. deut. botan. Ges., 46, 610, 621 (1928).
47.	James W. O., Proc. Roy. Soc. London, B103, 1 (1928).
48.	Костычев С., Базырина К., Чесноков В., Planta, 5, 696 (1928).
49.	Johansson N., Stalfelt M. G., Svesk Skogvdrdsfdr. Tid., 26, 814 (1928).
50.	Maskell E. J., Proc. Roy. Soc. London, B102, 488 (1928).
51.	Sierp H„ Seybold A., Planta, 5, 616 (1928).
52.	Bergamaschl M., Atti. reale accad. nazl. Lincei, [6], 9, 238 (1929).
53.	Bergamaschl M., Atti. ist. botan. reale univ. Pavia, (4), 1, 117 (1929).
54.	Sierp H., Seybold A., Planta, 9, 246 (1929).
55.	Arens K., Planta, 10, 814 (1930).
56.	Van der Honert T. H., Rec. trav. botan. neerland., 27, 149 (1930).
57.	Базырина К., Чесноков В., Rec. trav. botan. neerland., 11, 463 (1930).
58.	White H. L„ Ann. Appl. Biol., 17, 755 (1930).
59.	Harder R., Keppler E., Reuss H., Gartenbauwiss., 5, 389 (1931).
60.	Базырина К., Чесноков В., Тр. биол. ин-та, Петергоф, 9, 58 103 (1932);
Тр. Ленингр. общ. естествоисп., 61, 279, 323 (1932).
61.	Schoder A., Jahrb. wiss. Botan., 76, 441 (1932).
62.	Boysen-Jensen P,, Die Stoffproduktion der Pflanzen, Fischer, Jena, 1932.
63.	Jaccard P., Jaag O., Ber. deut. botan. Ges., 50, 167 (1932).
64.	Jaccard P., Jaag O., Botan. Centr. Beihefte, 50, 1, 156 (1932).
65.	Emerson R., Arnold W., J. gener. Physiol., 15, 391 (1932).
66.	Van der Paauw F., Rev. trav. botan. neerland., 29, 497 (1932).
67.	Hoover W. H., Johnston E. S„ Brackett F. S., Smithsonian Inst. Pub, Misc.
Collections, 87, № 16 (1933).
68.	Brinkman R., Margaria R., Roughton F. J. W., Phil. Trans. Ray. Soc.
London, 232, 65 (1933).
69.	Arens K., Planta, 20, 621 (1933).
70.	Emerson R., Green L., J. gener. Physiol., 17, 817 (1934).
71.	Livingston В. E., Beall R., Plant Physiol., 9, 237 (1934).
72.	Barker H. A., Arch. Mikrobiol., 6, 141 (1935).
73.	Singh H. N„ Lal R. N„ Plant Physiol., 10, 245 (1935).
74.	Singh B. N., Kumar K., Proc. Indian Acad. Sci., Bl, 909 (1935).
75.	Stalfelt M. G„ Planta, 23, 715 (1935).
76.	Miller E. S„ Burr G. O., Plant Physiol., 10, 93 (1935).
77.	Johnston E. S., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 94, № 15 (1935).
78.	Burk D., Lineweaver H., Cold Spr. Harb. Symp. Qu. Biol., 3, 165 (1935).
79.	Brackett F. S., там же, 3, 117 (1935).
80.	Weishaupt C. G„ Dissertation, Ohio State Univ., 1935.
81.	Newton R. G., Thesis, Univ. London, 1936.
82.	Arens K., Jahrb. wiss. Botan., 83, 513, 561 (1936).
83.	Suessenguth K., Botan. Arch., 38, 480 (1937).
84.	Smith E. L., J. Gen. Physiol., 20, 807 (1937).
85.	Overkott O., Z. ges. Naturw., 3, 480 (1938).
86.	Hartel O., Jahrb. wiss. Botan., 87, 173 (1938).
87.	Рихтер А. А., ДАН СССР, 18, 59 (1938).
88.	Emerson R., Green L., Plant Physiol., 13, 157 (1938).
89.	Gessner F., Jahrb. wiss. Botan., 86, 491 (1938).
90.	Smith E. L., J. Gener. Physiol., 22, 21 (1938).
91.	Stocker O., Rehm S., Paetzold I., Jahrb. wiss. Botan., 86, 556 (1938).
92.	Катунский В. M., Известия АН СССР, сер. биол., 85 (1939).
93.	Overkott О., Botan. Arch., 39, 389 (1939).
94.	Heath О. V. S., Ann. Botany, 3, 469 (1939).
95.	Livingston R., Franck J., Am. J. Botany, 27, 449 (1940).
96.	Heath О. V. S., Penman H. L., Ann. Botany, 5, 455 (1941).
384
Глава XXVII
97.	Ballard L. A. T., New Phytologist, 40, 276 (1941).
98.	Franck J., Herzfeld K. F., J. phys. Chem., 45, 978 (1941).
99.	Franck J., French C. S., J. Gener. Physiol., 215, 309 (1941).
100.	Katz E., Wassink E. C., Dorrestein R„ paper at Spectroscopy Symposium,
Chicago, 1941.
101.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 285 (1942).
102.	Thomas M. D., Hendricks R. H„ Hill G. R., Plant Physiol., 19, 370 (1944).
103.	Verduin J., Loomis W. E., Plant Physiol., 19, 278 (1944).
104.	Lipmann F., Tuttle L. C., J. biol. Chem., 158, 505 (1945).
105.	Wassink E. C., Enzymologia, 12, 33 (1946).
106.	Steemann-Nielsen E., Nature, 158, 594 (1946).
107.	Freeland O. R., Presented at A. A. A. S. meeting, Boston, Dec., 1946.
108.	Van Rysselberghe P., Alklre G. J., McGee J. M., J. Am. Chem, Soc., 68,
2050 (1946).
109.	Tseng С. K., Sweeney В. M., Am. J. Botany, 33, 706 (1946).
110.	Ochoa S., см. Currents in Biochemical Research, Interscience, N. Y., 1946,
p. 165.
111.	Ruttner F., Qsterr. Botan. Z., 94, 265 (1947).
112.	Fuller H. J., Am. Midland Naturalist, 39, 247 (1948).
113.	Osterlind S„ Nature, 161, 319 (1948).
114.	Ruttner F., Osterr. Botan. Z., 95, 208 (1948).
115.	Verduin J., Diffusion through Multiperforate Septa, см. Photosynthesis in
Plants, Iowa State College Press, Ames, 1949, p. 293.
116.	Thomas M. D., Hill G. R., Photosynthesis under Field Conditions, там же,
1949, p. 19.
117.	Gabrielsen E. K., Nature, 163, 359 (1949).
118.	Warburg O„ Burk D„ Schocken V., Korzenovsky M., Hendricks S. B.,
Arch. Biochem., 23, 330 (1949).
119.	Osterlind S., Symbolae Botan. Upsal., 10, № 3, 1949.
120.	Whittingham С. P., Thesis, Cambridge Univ., 1949.
121.	Osterlind S., Physiol, plantarum, 3, 353, 430 (1950).
Концентрация двуокиси углерода и флуоресценция
122.	McAlister Е. D., Myers J., Am. Inst. Pub. Misc. Coll., 99, № 6 (1940).
123.	Franck J., French C. S„ Puck T. T., J. phys. Chem., 45, 1268 (1941).
124.	Franck J., Herzfeld K. F., там же, 45, 978 (1941).
125.	Wassink E. C., Katz E., Doirestein R., Enzymologia, 10, 285 (1942).
126.	Wassink E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 11, 282 (1945).
127.	Shiau Y„ Franck J., Arch. Biochem., 14, 253 (1947).
128.	Franck J., The Relation of the Fluorescence of Chlorophyll to Photosyn-
thesis, см. Photosynthesis in Plants, Iowa State Coll. Press, 1949, p. 293.
Концентрация восстановителей
129.	French C. S., J. gener. Physiol., 20, 711 (1937).
130.	Eymers J. G., Wassink E. C., Enzymologia, 2, 258 (1938).
131.	Wassink E. C., Enzymologia, 10, 257 (1942).
132.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., там же, 10, 285 (1942).
Концентрация ингибитора
133.	Warburg О., Biochem. Z„ 103, 188 (1920).	. E
134.	Wassink E. C., Vertnenlen D., Reman G. H., Katz E., Enzymologia, 5,
100 (1938).
135.	Weller S., Franck J., J. phys. Chem., 45, 1359 (1941).
136.	Greenfield S. S., Science, 93, 550 (1941).
137.	Greenfield S. S„ Am. J. Botany, 29, 121 (1942).
138.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 285 (1942).
139.	Wassink E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 11, 282 (1945).
140.	Warburg O., Liittgens W„ Биохимия, 11, 303 (1946).
Глава XXVIII
СВЕТОВОЙ ФАКТОР. ИНТЕНСИВНОСТЬ
СВЕТОВЫЕ КРИВЫЕ ФОТОСИНТЕЗА
Связь между фотосинтезом и количеством света, имеющимся
в распоряжении растений, впервые начала изучаться в 1866 г., когда
русский ботаник Волков сосчитал пузырьки кислорода, выделяемые
погруженными в воду водяными растениями, находящимися на различ-
ном расстоянии от освещенного солнцем замерзшего оконного стекла.
Он нашел, что скорость выделения газа пропорциональна интенсивно-
сти освещения. В 1883 г. Рейнке расширил подобные эксперименты,
применив более сильное освещение. При этом он наблюдал, что
если интенсивность освещения приближалась к интенсивности пря-
мого солнечного света, то световые кривые, т. е. кривые, выра-
жающие зависимость фотосинтеза от интенсивности падающего света,
изгибались и в конце концов становились горизонтальными. Рейнке,
следовательно, принадлежит открытие явления светового насы-
щения.
Юарт [5, 6, 7] показал, что если интенсивность освещения уве-
личивать значительно выше той, которая требуется для насыщения,
то скорость фотосинтеза опять начинает уменьшаться и процесс
фотосинтеза может быть даже полностью подавлен.
Начальное увеличение скорости при повышении интенсивности
освещения, последующее световое насыщение и затем световое тор-
можение фотосинтеза вторично наблюдал в 1903 г. Пантанелли [9].
В то время было естественно интерпретировать полученные результаты
в соответствии с теорией «кардинальных точек» (см. фиг. 132).
Блэкман и Матеи [И] и Блэкман и Смит [18] указали, однако, что
фотосинтез не требует никакого минимума интенсивности света и идет
при самом слабом освещении (по крайней мере, если принимать во
внимание истинную скорость фотосинтеза, скорректированную на
дыхание, а не скорость чистого газообмена). Кроме того, световые
кривые показывают широкое плато насыщения вместо острого опти-
мума. Поэтому эти авторы были убеждены, что световые кривые
могут быть объяснены посредством блэкмановской теории «лимити-
рующих факторов» лучше, чем с точки зрения теории трех «карди-
нальных точек».
Синг и Кумар J97] и Любименко [99] наблюдали, что световые
кривые некоторых наземных растений являются сигмообразными, и
Любименко видел в этом доказательство существования «светового
25 Зак. 4040. Е. Рабинович
386
Глава XXVIII
порога» фотосинтеза. Это заключение находится, однако, в противоре-
чии с результатами всех остальных исследователей. С другой стороны,
сигмообразность световых кривых-.является, повидимому, правилом
для пурпурных бактерий (см. Ф.ренч [105]; Вассинк, Катц и Дорен-
штейн [132]).
Не соглашаясь с тем, что существует только качественное подо-
бие между эмпирическими световыми кривыми и ломаными линиями,
предсказанными теорией «лимитирующих факторов», Блэкман настаи-
вал на наличии количественного совпадения и этим вызвал полемику,
о которой шла речь в гл. XXVII. Он утверждал, что не происходит
никакого уменьшения скорости процесса при высоких интенсивностях
света до тех пор, пока перегревание не вызовет повреждений, и
отрицал постепенность перехода от линейно поднимающейся части
световых кривых к горизонтальной.
Блэкман, возможно, был прав, приписывая угнетение фотосинтеза
избытком света деструктивным процессам, не свойственным внутрен-
нему кинетическому механизму фотосинтеза. Однако мы считаем, что
эти процессы являются фотоокислениями, а не термическими реакциями,
вызываемыми перегреванием; эта теория светового торможения обсу-
ждалась в гл. XIX (т. I), когда мы описывали явления фотоокисления
в живых растениях.
С другой стороны, невозможно принять второе утверждение Блэк-
мана о том, что линейно поднимающаяся часть световой кривой круто
переходит в горизонтальную ее часть. Все точные наблюдения под-
тверждают, что световое насыщение достигается асимптотически,
иногда в широком интервале интенсивности света (см. раннюю критику
интерпретации Блэкмана Брауном и Хейзе [22, 25]). В гл. XXVI было
показано (см. также фиг. 191), что неравномерности поглощения света,
неизбежной даже в отдельных хлоропластах, не говоря уже о много-
клеточных системах, самой по себе достаточно, чтобы сделать невоз-
можным практическое наблюдение блэкмановских световых кривых,
имеющих форму ломаных линий, даже если эти кривые правильно
выражают отношение между интенсивностью света и скоростью фото-
синтеза в равномерно освещенном элементе объема. Однако на осно-
вании общих законов кинетики реакций можно показать, что даже
в идеальном случае полностью равномерного поглощения света блэк-
мановские ломаные линии являются только первым приближением,
более или менее удовлетворительным в зависимости от специфических
конкретных условий.
Общий обзор
В табл. 41 сведены результаты наиболее важных определений
световых кривых фотосинтеза, выполненных после Блэкмана.
Следует сказать несколько слов относительно единиц интен-
сивности света, употребляемых в этих измерениях. Для белого
Световой фактор. Интенсивность
387
света* широко пользовались и пользуются такими единицами, как люкс
(метр-свеча) или фут-свеча. Одна фут-свеча равна 10,8 метр-свечи;
одна метр-свеча соответствует (см. гл. XXV) примерно 4,5 эрга, или
1,4 • 1012 квантов, или 2,3 • 10~12 эйнштейн фотосинтетически актив-
ного света (400—700 жр), падающих каждую секунду на 1 см2 осве-
щаемой поверхности. Для цветного света интенсивность дается обычно
в эргах (или калориях; 1 калория = 4,2 • 107 эргов) на 1 см2! сек, или
в ваттах на 1 см2 (1 ватт=107 эргов в 1 сек.). При сравнении
результатов, полученных со светом различной окраски, наиболее под-
ходящей мерой интенсивности является число квантов (Л/д,) или число
эйнштейн (1 эйнштейн = 6,1 • 1023 квантов), падающих каждую секунду
на 1 см2. О соотношении между М,, и интенсивностью освещения
см. гл. XXV.
В табл. 41 не включены измерения световых кривых в присут-
ствии различных ядов, таких, как цианистый калий, гидроксиламин
или азид; наркотиков, таких, как уретан, или солей, таких, как сер-
нокислая медь. Несколько кривых этого типа приведены на фиг. 175—181;
дополнительные сведения могут быть получены в гл. XII и XIII (т. I)
и в гл. XXXVII. В последней мы опишем также световые кривые
водорослей в состоянии почти полного анаэробного угнетения, изме-
ренные Франком, Принсгеймом и Лэдом [141] при помощи очень
чувствительного фосфоресцентного метода.
На фиг. 165—183 изображен ряд наиболее типичных световых
кривых. При этом имелось в виду представить кривые для всех
типов растений: высших наземных и водяных растений, зеленых и
окрашенных водорослей, диатомовых водорослей и пурпурных бак-
терий.
На фиг. 165—170 представлены семейства кривых, параметром
которых служит концентрация двуокиси углерода (странно, что подоб-
ного семейства кривых нет для Chlorella). На фиг. 171 показаны све-
товые кривые пурпурных бактерий для двух концентраций восстано-
вителя (тиосульфата). На фиг. 172—174 представлены семейства
кривых с температурой в качестве параметра. Фиг. 175—181 иллю-
стрируют влияние ингибиторов. Влияние pH (на пурпурные бактерии)
показано на фиг. 182, а влияние возраста — на фиг. 183.
Чтобы иллюстрировать влияние наследственной или приобретенной
приспособленности к сильному или слабому свету, ниже будут даны
дополнительные семейства кривых.
* Понятие «белый свет» является не вполне определенным. К сожале-
лению, в фотобиологических исследованиях нет еще общепринятой рацио-
нальной системы единиц и методов измерений.
В работах, подобных описываемым, рационально учитывать интенсивность
общего интегрального потока энергии, интенсивность физиологически
активной энергии (т. е. той части лучей светопотока, которые могут по-
глощаться пигментами фотосинтетического аппарата) и, наконец, количество
фактически поглощаемой энергии. — Прим. ред.
25*
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
(цифры в скобках рассчитаны на основании
Материал	Вид	снабжение СО2	
Наземные
Отрезанные листья	 Целые растения	 в	»		 Арктические растения .... »  	 Листья	 Папоротник	 Лишайник 	 Растения 	 Листья	 Растения 	 * 		 » 		 В		 Листья . . . •	 и	........... я	• •••••••••• Мхи	 Лишайники 	 в				 Листья	 В			 В			 Деревья	 V			  ...........	Ulmus, Sambucus То же, желтая разновидность Ox al is acetosella Stellaria memorum Salix glauca я	в Fagus silvatica (солнечные) „	„	(теневые) Marchantia Peltigera Sinapis alba V	в Triticum (см, фиг. 165) To же В	в в в я	в Sinapis alba в	в Raphanus sativus в	в Hylocomium squamosum Cetraria glauca Evernia prunastii Fraxinus exelsior (солнеч- ные) To же (теневые) Triticum Сосна (скипидарная) Дуб (красный) „ (белый) Кизил	Воздух, 4,5% СО2 То же 0,03—0,24% СО2 0,03—0,24% СО2 Воздух в в и в  0,07% СО2 0,013% со2 0,026% СО2 0,032% СО2 0,050% СО2 0,178% СО2 Воздух 0,03% СО2 0,3% СО2 Воздух в в в	
388
Таблица 41
СВЕТОВЫХ КРИВЫХ
приблизительного соотношения: 1 лк = 5 эрг/см2 • сек)
Условия			Половинное насыщение		Насыщение		Ссылка на литературу
	температура, °C	освещение	I03 ЛК	§ "Й" с? О ,—1	1 лу eoi '	is g 05 О ч—*	
	растения						
	25	Лампа 1 500 вт	— 4	(20)	24	(120)	V Г071
	25	То же	— 12	(60)	— 60	(300)	Г l^'J
	18	Лампа 500 вт	—	—	>15	О 75)	1 Г31 321
	—	Солнце	 .—	—	15	(75)	
	10	»	—	—	7	(35)	>	Г531
	20	в	—	—	13	(65)	। №J
	20	в	— 17	(85)	>20	О ЮО)	> F5fil
	20		<1	(<5)	— 3	О 15)	f
	20	»	— 0,5	(2,5)	1	(5)	У Г 57 581
	20	»	— 5	(25)	>19	095)	
	20	»	— 5,5	(27,5)	— 20	(ЮО)	[76]
	20	2 лампы по 300 вт	6	(30)	— 17	(85)	[79]
	19	8 ламп по 500 вт	— 2	(Ю)	— 16	(-30)	
	19	То же	— 2,5	(12,5)	— 10	(-50)	
	19	»	V	— 2,5	(12,5)	— 10	(-50)	[80]
	19	»	V	— 4	(20)	— 15	(-75)	
	19	V	»	>5	025)	>20	О 100)	
	—	Солнце, 0,6—0,75р.	(4,4)	22	(13)	66	I[05 1941
	—	Солнце, 0,48—0,64;>	4,4	22	(13)	66	
	—	Лампа					69 72	(345) (360)	} [97]
	—	Солнце	— 1,8	(9)	—	—	[Ю2]
	Зима	В	4,7	(24)	16—32	(80—160)	} [Ю2]
	Лето	V	5,9	(30)	—	—	
	—	Лампа Виталюкс	— 20	(ЮО)	60	(300)	Г1241
	—	• »	— 8	(40)	18	(90)	I 1X4:j
	—	Лампа	10	(50)	52	(260)	[134]
	30	На воздухе	—	—	>100	(>500)	
	30		—	—	— 30	О 150)	
	30	V	»	—	—	— 15	О 75)	[138]
	30	W	V	—	—	— 15	075)	
389
			
Материал	Вид	снабжение СО,	
Листья	 0	........... V	•••••••.••• 0	.	.......... 0 0 » 			 0			 V			 0		 V		 я			 » ........ ...	Земляника (см. фиг. 166) То же Z V	• Томат V  Китайская капуста *	V 0	V Огурец 0 0 Турнепс Спаржа	Буфер № 91) 9% СО2 9% СО2 1% со2 Буфер № 9г) 9%СО2 9% СО2 Буфер № 9J) 9% СО2 9% СО2 Буфер № 91) 9% СО2 9% СО2 Буфер № 91) То же	
Высшие водяные
Fontinalis antipyretica (см. фиг. 167)....................
То же.....................................................
0	0	..............................................
о 0	...................................................
Lemna minor
Cabomba caroliniana.......................................
0	0	.............................
0	0	...................................
»	0	...................................
Cabomba caroliniana (см. фиг. 168)........................
То же.....................................................
» V ......................................................
	V
»	»
0,01% кнсо3
0,04% КНСО3
0,10% кнсо3
0,32% кнсо3
Водопроводная
вода
Буфер № 41)
Буфер № 9 О
Буфер № 101)
Буфер № 111)
Буфер № 11)
Буфер № 21)
Буфер № 41)
Буфер № 5!)
Буфер № 9 *)
Буфер № 11 >)
390
Продолжение табл. 41
Условия				Половинное насыщение		Насыщение		Ссылка иа литературу
	температура, 'С	освещение		к	10® эрг!см*»сек	10s ЛК	10» арг/сл’-сек	
	25; 17	Na-лампа				20	—	50	
	25	То	же	—	>30	—	>80	
	17	а	»	—	20	—	50	
	25	а	в	—	15	—	60	
	25; 17	*	а	—	15	—	30	
	25	а	»	—	>30	—	>80	
	17	а	и	—	15	—	50	
	25; 17	а	а	—	7	—	30	[142]
	25	а	»	—	30	—	>80	
	17	а	а	—	22	—	>70	
	25; 17	»	а	—	10	—	60	
	25	а	а	—	10	—	30	
	17	а		—	5	—	15	
	25; 17	а	•	—	8	—	30	
	25; 17 растения	а	а		3		15	
	23—24	Лампа	500 вт	~ 0,5	(2,5)	— 2	(~10)	
	23—24	То	же	— 4	(20)	>20	(>100)	
	23—24	If	и	.—	—	>20	(> 100)	[30]
	23-24	а	»	—	—	>20	(> 100)	
	29	Лампа		—	—	— 10	(~50)	[92]
	25,3	Лампа	500 вт	3,3	(16,5)	— 20	(~ 100)	
	25,3	То	же	6	(30)	— 30	(~ 150)	
	25,3	V	а	7	(35)	— 50	(-250)	[ИО]
	25,3	а	а	7	(35)	— 100	(—500)	
	25,3	а	а	1,5	(7,5)	— 5	(-25)	
	25,3	а	а	1,5	(7,5)	~10	(-50)	
	25,3	а	а	3	(15)	— 30	(-150)	
	25,3	а	а	4	(20)	— 50	(-250)	[Н4]
	25,3	а	а	8	(40)	— 100	(500)	
	25,3	а	а	10	(50)	>123	(>615)	
391
Вид				п	
	снабжение СО,	
Cerathophyltum detnersum ................ Cabomba aquatica	 Elodea crispa (солнечная)		 .	» (теневая)	 Potomageton densus (солнечный)	 .	, (теневой) 	 Ranunculus aquaticus	 Hottonia palustris			Жесткая водопро- водная вода То же я	» Я	V я	я »	я »	в V	»	
Chlorella pyrenoidosa	 Chlorella vulgaris (нормальная)	 »	, (хлоротичная)	 Hormidium flaccidum зеленые клетки, выращенные на свету	 „	»	»	в тени 	 Chlorella vulgaris (см. фиг. 172) 		 То же 	 Chlorella vulgaris (см. фиг. 183) возраст 3 дня 	 .	23	 . 42 »		 Chlorella pyrenoidosa (см. фиг. 173)		Зеленые Буфер № 9!) То же Воздух, 1% СО2 То же Буфер №9*) То же я в я я Буфер № 91) То же » » П	V	
То же 		»	» »	9	
Rhizoclonium		»  [СО,]+'1/2[НСО;] = = 0,0014 моль 1л	
392
Продолжение табл. 41
Условия			Половинное		Насыщение		
			насыщение				
				*		*	
							Ссылка
				с			на
				2			литературу
	температура, °C	освещение		1			
				г—ч	Ь	о	
				—•			
	— 20	Лампа 200 вт	— 2	(10)	— 30	(~ 150)	
	— 20	То же	— 2	(10)	— 30	(~ 150)	
	-20	• я	>20	(>100)	>80	(>400)	
	— 20	» »	— 6	(30)	40	(200)	[П2]
	— 20		> ю	О 50)	>80	(>400)	
	— 20	» »	— 3	(15)	40	(200)	
	— 20	» м	— 2	(Ю)	15	(65)	
	— 20	» »	8	(40)	60	(300)	
водоросли
	25	Лампа 300 вт	3,52)			> 16 2)	[28]
	20	Лампа 100 вт	502)			200 2)	
	20	То же	402)			1402)	1 [60]
	18	Лампа 150 вт	1,2	(6)	6	(30)	1 Г771
	18	То же	0,2	(1)	2,4	(12)	J lZ/J
	10	Na-лампа	—	1,2	—	5	
	16,3	То же			2,1			9	
	22,5	»	V	—	3,6	—	18	[116]
	28,9	» »	—	—	—	>18	
	29	* »	452)		1402)		
	29	»	V	352)		1202)		j [123]
	29	» »	ЗО2)		80 2)		
	20	Лампа 500 вт					
		красный свет	—	—	—	6	
		желтый „	—	—	—	6	[ [120]
		белый	5	(25)	> 15	О 75)	J
	10	Лампа 500 вт					
		белый свет	— 2	(Ю)	20	(120)	
	10	красный , (0,65р.)	—	7	—.	24	
	20	белый „	— 5	(25)	»20	(» 100)	[125]
	20	красный „	—	— 8	—	» 25	
	19,5	—	— 5	/25)	>15	О 65)	[135]
393
Вид	снабжение COS	
Красные н бурые
Gigartlna (красная)	 Nitzschia closterium	 Nitzschia palea	 rucus serralus		10 4 лоль/л НСО3 5% СО2, нлн буфер №9’) То же	
» » •••••••••••»••••••••* Nitzschia dissipata (10 единиц Тромсдорфа на 1 мл', см. фиг. 169) Chromatlum D концентрация 3 	 концентрация 1 	 концентрация !/з	 концентрации 3; 1; 1/з> уменьшенные до световой ин- тенсивности, получаемой каждой клеткой (см. фиг. 193) Chromatlum D (см. фнг. 174)	 То же		Буфер № 91) Раствор Рихтера, 5% СО2 Пурпурные 5% СО2 5°/о СО2 5°/0 СО2 5°/о СО2 5% СО2, pH 6,3 (тиосульфат) То же 5°/оС02, pH 7,6 (водород) То же » »	
*) Значения [СО2] дли буферов в 10 ® молъ!л при 25°; № 1 — 0,48; № 2—0,90; № 4—2,29;
’) Относительные единицы.
394
Продолжение табл. 41
Условия			Половинное насыщение		Насыщение		Ссылка на литературу
	температура, ®С	освещение	10» лк	10® эрг{см*‘Сек	10* лк	it 5 'S' о	
	водоросли						
	15	6 ламп по 60 вт		22 2)		100	[86, 87]
	20	Лампа 40—75 вт		152)		502)	
							• [93]
	21	То же		—		> ЮО2)	
	5 25	—	4 7	(20) (35)	25 25	(25) (125)	} [135]
	17	Na-лампа							>30	
	17	То же	—	~20	—	— 60	1 [139] 1
	бактерии						
	29	Na-лампа			~30	—	» 30	
	29	То же	—	~ 12	——	>30	
	29	V	V	—	~8	—	~30	[131]
	29	V	»	—	~8	—	~30	
	11,3	»	я	—	2	—	6	[132]
	19,8	я	»	—	5	—	20	
	28,5	я	я	—	10	—	30	
	16,3	V	V	—	3	—	8	
	22,4	я	»	—	6	—	20	
	28,0	» »	—	9	—	30	
№ 5-4,48; № 9—78,7; № 10-131; № 11-290.
395
Фиг. 165. Световые кривые фотосинтеза целых молодых расте-
ний пшеницы при 19° [80]; параметры в объемных процентах СОг-
Интенсивность света, 104эрг/смг'сек
Фиг. 166. Световые кривые
листьев земляники [142].
Листовые пластинки на воде, находя-
щейся в равновесии с воздухом, содер-
жащим 9°/о СОв при 17 и 25°; то же
в буфере Варбурга № 9 при 25°.
396
Фиг. 167. Световые кривые Fon-
tinalis antipyretica для различных
концентраций КНСО3 [30].
23—24е; белый свет; lofo КНСО3 соответ-
ствует концентрации СО,, равной
1,Ы0”3 молъ[л.
Интенсивность света, 103лк
Интенсивность света в лк, 1д
Фиг. 168. Световые кривые водяного растения Cabomba caroliniana для
различных концентраций СО3 [114].
Буферы Варбурга; белый свет; 25,3°. Параметры: на А—концентрация СО2, на Б—номера
буферов (см. т. I, табл. 21, и примечание 1 к табл. 41 настоящего тома). Правильные ординаты
даны на графике Б только для верхней кривой; все остальные кривые раздвинуты (на 0,2 еди-
ницы логарифмической шкалы). Правильные же их положения показаны на графике Б, справа.
397
Интенсивность света, Ю4эрг/смгсек
Фиг. 169. Световые кривые
диатомовых водорослей
(Nitzschia) в растворе Рихтера
при 17° [139].
I—5»1о СО,; II— без СО,.
f
О''
200
« 150
г
j/00
§ 50
0	12	3
Интенсивность света,
104эрг/смг-сек
Фиг. 170. Световые кривые фото-
химического восстановления СО2
пурпурными бактериями (Chroma-
tium D) для двух концентраций
СО2 [131].
СО,, 1°/о тиосульфата, pH 6,3, 29°; II—1»;»
СО„ 1о/о тиосульфата, pH 6,3, 29°-
пуриыми бактериями (Chromatium D)
при двух различных концентрациях
тиосульфата [131].
Z—К/® тиосульфата, 5 Vo СО2, pH 6,3, 29е;
II—0,037о|о тиосульфата, 5\'о СО>, pH 6,3, 29е.
398
Фиг. 172. Световые кривые
Chlorella при различных тем-
пературах [116].
Поглощение СОг, мм3/час
Ф'иг. 173. Световые кри-
вые Chlorella при раз-
личных температурах
[125].
[СО!]=7,87-10-» моль!л,
1 //#=940 apzfcM^'ceK. Верхний
рисунок—белый свет; нижний
рисунок—красный свет.
399
Ф и г. 174. Световые кривые пурпурных бактерий (Chromatlum D)
при различных температурах [131].
5°fo СОа, концентрация клеток 1, соответствующая приблизительно 80Л,'о поглощения
света натриевой лампы (см. фиг. 193).
Д. pH 6,3; 1°1о тиосульфата. Б. pH 7,6; 15°/о тиосульфата.
104эрг/смгсек
Фиг. 175. Световые кривые ингиби-
рованных HCN клеток Chlorella, по-
казывающие, что HCN не действует
на слабом свету.
I—не ингибированные клетки; ZZ—0,05 мл
0,03-процентного KCN в 1 мл.
400
Скорость фотосинтеза
Фиг. 176. Световые кривые инги-
бированных клеток Chlorella, по-
казывающие, что NH2OH • НС1 дей-
ствует при всех интенсивностях
света [130].
I—без ингибитора; И—2,5«10“* моль/л
NHaOH-HCL
Интенсивность света,
Югэрг/смгсек
Фиг. 177. Световые кривые ингибирован-
ных клеток Chlorella^ показывающие, что
этилуретан действует при всех интенсив-
ностях света [116].
I—без ингибитора; II—0,05 мл 50-процентного этил-
уретана в 1 мл.
Фиг. 178. Световые кривые ингибированных клеток Chlorella,
показывающие, что CuSO4 действует, a NiSO4 не действует при
низких интенсивностях света [136].
Л. Действие CuSO4: /—контроль; II—CuSO4. Б. Действие NiSO4: /—контроль;
II—NiSO4.
26 Зак. 4040. Е. Рабинович
401
Фиг. 179. Световые кривые кле-
ток Chlorella, показывающие влия-
ние О2 [116].
I—азот; II—кислород.
200
Фиг. 180. Световые кривые ингибированных~диатомовых водорослей (Nitz-
schia) при 25° в буфере Варбурга № 9, показывающие, что и этилуретан
и цианид действуют при низких интенсивностях света [139].
I—без этилуретана; II — 1,5% этилуретана; III—2,0% этилуретана; IV—2,5% этилуретана;
V—без цианида; VI—0,003% KCN.
402
Интенсивность света,
104эрг/смг-сек
Интенсивность света*
Ю4эрг/смг-сек
Интенсивность света,
104эрг/смг-сек
Световые кривые ингибированных пурпурных бактерий (Chroma-
' I не оказывает никакого действия на слабом свету с Н2,
181. С
[131J. HCN
1S2O3 действ:
Фиг.
tium)
а с Н^Оз" действует и при слабом освещении. NH2OH-HC1 не оказывает
влияния на слабом свету (см. фиг. 176). Этилуретан действует особенно
сильно при слабом освещении.
А. 15»|»Н„ pH 6,3, 5»/» СО,, 29°:/ —без KCN; 77 —0,00125'’ » KCN. Б. Г’1»	pH 6,3, 5°/» СО.,
29°: 7-без KCN; /7-0,0015»;» KCN. В. 15»/» Н„ pH 6,3, 5»/» СОа, 29°: /-без NaNs; //-0,0187»/»
NaN,. Г. 15»/. Н„ pH 7,6, 5»/» СО„ 29°: /—без NH2OH-HC1; //—0,025»/» NH,OH-HC1. Д. 1»/»
jH,S,O3, pH 6,3, 5“/« СО,, 29°: I—без этилуретана; II—1,25»|» этилуретана.
26*
403
Фиг. 182. Влияние pH на скорость фотохимического восста-
новления СО2 у Chromatium [131].
A. I’lo H2S,Oa. 5. 15 н„
I — pH 6,3, 5»1о СО2, 29°; II—pH 7,6, 5’|о СОа, 29°.
Фиг. 183. Световые кривые,
показывающие влияние воз-
раста Chlorella [123].
Газовая фаза — воздух; 29°; пара-
метры-дни.
404
Световой фактор. Интенсивность
405
В гл. XXVI мы рассматривали три типа семейств кривых P=/[F1]
с параметром F2, которые можно рассчитывать получить при фото-
синтезе.
В гл. XXVII даны примеры условий, при которых каждый из ти-
пов может быть получен для углекислотных кривых F1 = [CO2].
Линейный участок кривой
Рассмотрим теперь некоторые из деталей световых кривых: линей-
ный участок, компенсационный пункт, насыщающую интенсив-
ность света и максимальный выход. Возможно, что наиболее важной
количественной характеристикой световых кривых является их началь-
ный наклон, определяющий максимальный квантовый выход; этот
вопрос будет обсуждаться отдельно в гл. XXIX.
Фиг. 184. Приблизительная линей-
ность световых кривых Chlorella при
белом свете вплоть до 1 300 лк (или
6 500 эрг/см2 • сек) [127].
Интенсивность света,
104 эрг/смг-сек
Фиг. 185. Световая кривая пурпур-
ных бактерий при натриевом свете
показывает линейность до
60 000 эрг!см2-сек [111].
На фиг. 165, 173, 175, 180 и 184 видно, что многие световые
кривые показывают практически точную пропорциональность между
скоростью фотосинтеза и интенсивностью света в широких пределах
интенсивности. Границы такого линейного участка менее ясно опре-
деляются на фиг. 166—172. В световых кривых пурпурных бактерий
этот участок часто делается неясным из-за изгиба кривых (см. фиг. 174
и 181, Д, Б, В, Г). Данные, включенные в табл. 42, показывают, что
при комнатной температуре и высокой концентрации двуокиси угле-
рода линейный участок обычно простирается до 5 или 10 • 108 эрг) см2  сек,
ПРЕДЕЛЫ ЛИНЕЙНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ФОТОСИНТЕЗА С ИНТЕНСИВНОСТЬЮ СВЕТА
Таблица 42
Растение	Среда	Спектральный состав света	Предел линейности		Ссылка на литературу
			10а лк	103 эрг/см^-сек	
Trltlcum (см. фиг. 165)	Воздух, 0,037 об. % СО2	Белый	1	(5)	
То же	Воздух, 0,082 об. °/0 СО2		4	(20)	|	[80]
» я	Воздух, 0,143 об. % СО2		10	(50)	
Девять садовых растений	Плавающие на буфере № 9	Желтый	 । »1	6—25 (17 или 25°)	
»	V	»	9% СО2	»		20—70 (25°)	| [142]
» „ »	9% СО2		—•	15—125 (17°)	
Chlorella	Вода, насыщенная 5% СО2	»	(0,2)	1	[33
»	Вода, насыщенная 5°/0 СО2	Красный		1	[36
	Озерная вода	Солнечный свет	—	5	[113
		под водой			
»	Вода, насыщенная 5°/0 СО2	Красный	—	6	[121]
»	Вода, насыщенная 5% СО.,		—-	8	[119]
Chlorella (концентрированная	КНСО3 + К2СО31)	Белый	2	(Ю)	
суспензия)					
То же	КНСО3+К2СО31)	Красный	—	3	• [120]
» »	КНСО3+К2СО31)	Зеленый	—	3	
Chlorella (разбавленная сус-	КНСО3 + К2СО31)	Красный	—'	4	
Chlorella	КНСО3 + К2СО31)	Белый	1	5 (10°)	
»	КНСО3+К2СО31)	g	1	5 (20°)	> Г19М
»	КНСОа + К2СО31)	Красный	—	4(10°)	1
v	КНСОаЧ- К2СО31)	-	—	8(20°)	f
	КНСО3 + К2СО31)	Белый	1,3	(6,5)	[127]
п	КНСО3 + К2СО3»)	Красный	—	5	[137]
п	КНСО3+К2СО31)	-	—	>80	[140]
Chromatium	Фосфатный буфер	Желтый	——	60	[111]
Chromatium (см. фиг. 174)		У	——	3 (16,3°)	
То же			—	9 (22,4°)	| [132]
» »	»	я	я	—	12 (28°)	
*) 0,085 моль!Л КНСО„ 0,015 молъ/л К,СО, или Na,СО, (буфер J* 9).
Световой фактор. Интенсивность
407
что соответствует 1—2 • 10s лк белого света. В некоторых случаях,
однако, первые признаки искривления наблюдаются, несмотря на высо-
кую концентрацию двуокиси углерода, уже при 1 • 108 эрг!см2 • сек,
или 200 лк, тогда как в других случаях подъем продолжается до 50
или даже 100 • 103 зрг/сл2 • сек, т. е. до 10—20 • 103 лк (см. фиг. 165
и 185).
Теоретически не может быть дано точного определения линейного
участка, так как, вероятно, все световые кривые являются гипер-
болами (или кривыми более высокого порядка) и могут только асимп-
тотически приближаться к прямым линиям. Определение верхнего
предела линейного участка может быть дано, таким образом, только
для ясно выраженного отклонения от линейности.
Вассинк (142] определил интенсивность падающего монохромати-
ческого желтого света, при которой выход фотосинтеза девяти са-
довых растений показал 16% отклонения от пропорциональности
(см. табл. 42).
Кок [143] и Ван-дер-Вин [145] нашли, что линейный участок может
состоять из двух отрезков, причем подъем более низкого участка мо-
жет быть в 2 раза круче, чем подъем более высокого (см. гл. XXIX).
Компенсационный пункт
Компенсационным пунктом называется интенсивность света, при
которой фотосинтез уравновешивается- дыханием, так что чистый
газообмен равен нулю.
Компенсационным пунктом можно также назвать ту концентрацию
СО2, при которой газообмен становится равным нулю при данной
интенсивности света (см. гл. XXVII), или температуру, при которой
газообмен равен нулю при данной комбинации параметров I и [СО2]
(см. гл. XXXI), но в обоих этих смыслах указанный термин употре-
бляется редко. Иногда обозначение «верхний компенсационный
пункт» применяется к точке второго перекрещивания кривых фото-
синтеза и дыхания, которое может иметь место или при очень высо-
кой интенсивности света, или при температурах выше оптимальной
(см. гл. XXXI).
Если концентрация двуокиси углерода не слишком низка, компен-
сация происходит в пределах линейного участка световой кривой, там,
где наклон последней определяется максимальным квантовым выходом
фотосинтеза и интенсивностью поглощения света, т. е. оптической
плотностью образца. Возможно (см. гл. XXIX), что максимальный
квантовый выход приблизительно одинаков для всех видов растений,
по крайней мере, если все клетки полностью активны, что не всегда
имеет место, как, например, в «старых» культурах. Разница в ком-
пенсационных пунктах, найденных при этих условиях, должна поэтому
зависеть главным образом, или исключительно, от двух факторов:
Интенсивности дыхания и оптической плотности исследуемого образца.
408
Глава XXVIII
В суспензиях дыхание пропорционально концентрации клеток,
тогда как поглощение света в оптически плотных системах увеличи-
вается не пропорционально увеличению концентрации, а медленнее
(закон Бэра). Поэтому при сравнении концентрированной суспензии
с разбавленной суспензией тех же самых клеток можно ожидать,
что компенсационный пункт второй суспензии будет лежать при более
низкой интенсивности света. Если же уменьшение оптической плот-
ности имеет место в результате понижения концентрации хлорофилла
внутри клеток (без изменения числа клеток в единице объема), то
компенсационный пункт будет сдвинут в противоположном направле-
нии, т, е. в сторону более высоких интенсивностей света, потому
что в этом случае уменьшение общего выхбда фотосинтеза не будет
компенсироваться более сильным уменьшением общего дыхания.
Интенсивность дыхания клеток, содержащих недостаточное количество
хлорофилла, равна интенсивности дыхания нормальных зеленых клеток
(см, Ноддак и Копп) или даже превышает ее (хлоротические клетки
Chlorella, выращенные Эмерсоном и Льюисом; большинство адапти-
рованных к солнцу светлозеленых листьев). Три примера усиленного
дыхания подобных клеток имеются в табл. 43 и 44.
Соотношение между кинетическими свойствами адаптированных
к солнечному свету (гелиофильных) и адаптированных к теневым
условиям (умбриофильных) растений будет обсуждаться в следующем
разделе; соотношение между кинетическими свойствами адаптирован-
ных к теплу (термофильных) и адаптированных к холоду (криофиль-
ных) растений — в гл. XXXI. Как следует из данных Хардера, приве-
денных в табл. 43, влияние адаптаций к слабому свету и низкой
температуре противоположно по знаку: адаптация к слабому свету
уменьшает дыхание и, таким образом, сдвигает /е в сторону более
слабого освещения, тогда как адаптация к низкой температуре уско-
ряет дыхание и поэтому сдвигает /е в сторону более интенсивного
света.
Водоросли, живущие глубоко под водой, в особенности красные,
адаптированы и к слабому свету, и к низкой температуре. Однако
здесь преобладает влияние умбриофильной адаптации и компенсацион-
ный пункт у этих водорослей лежит обычно ниже, чем у водорослей,
живущих на поверхности. Если бы компенсационный пункт этих водо-
рослей не лежал при низкой интенсивности света, они не могли бы
развиваться на глубине 100—120 м (самая большая глубина, на кото-
рой организмы были обнаружены при помощи драги), потому что
интенсивность освещения на глубине 120 м составляет только около
200 лк (см. данные Зейбольда [131] в гл. XXII).
Как более детально обсуждалось в главе XV (т. I, стр. 427),
глубоководные водоросли адаптированы не только к низкой интенсив-
ности света, но и к преобладанию сине-зеленого света. Если бы
компенсационные пункты зеленых поверхностных и окрашенных глу-
боководных водорослей сравнивались при сине-зеленом освещении, то
Таблица 43
КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ПУНКТ У ЛИСТЬЕВ И СЛОЕВИЩ
Растение	1с' лк	Темпера- тура, °C	Ссылка на литературу
Высшие наземные растения			
Fraxinus excelsior (теневые листья)		200	20	
,	„ (солнечные листья)		700	20	[57,58]
Fagus silvatica (теневые листья)		150	20	
„	„	(солнечные листья)	 Мхи	500	. 20	
Marchantia polymorpha			
6 видов (зима), среднее		100	20	[57,58]
6 видов (лето), среднее		3901)	11	[122]
Лишайники (симбиоз водорослей и грибов)
Peltigera canina 12 видов (зима), среднее		4 2002)	20	[57,58]
12 видов (лето), среднее		1 020	13	[П8]
Высшие водяные растения и мхи
Elodea (лето)..............................
» (зима)....................................
Cabomba caroliniana.........................	•
Miriophyllum splcatum...........................
Fontinalis antipyretica.........................
Cinclidotus aquaticus....................	. . .
Fontinalis (теневое растение)...................
После	12	дней	в	темноте................
После	20	дней	в	темноте................
Fontinalis (солнечное растение).................
После	12	дней	в	темноте................
После	20	дней	в	темноте................
Fontinalis (выросшее при 4,6°)..................
» (выросшее при 20°)......................
2		
18	—	
55		.	
128			 [23]
150	—	
140	—	
95	—	
64	—	
27			[34,35]
152	—	
84	—	
10	—	
1000	18	
580	18	} [38]
410
Глава XXVIII
Продолжение табл. 43
Растение	Ze. лк	Темпера- тура, °C	Ссылка на литературу
Зелёные водоросли
Spirogyra		174	—	I 1231
Cladophora		253	—	
Enteromorpha compressa 			457	16	
Ulva lactuca		357	16	| [62,70]
Cladophora rupestrls		322	16	
Chlorella pyrenoldosa (разбавленная суспензия)	400	25	[120]
Окрашенные водоросли			
Fucus serratus (бурая) . . . . . 		  .	408	16	
	345	16	
Plocamiam coccineum (красная)		299	16	[62,70]
Phyllophora brodlaei (красная)		312	16	
Delesseria sanguinea (красная) 		270	16	
1) Значения, удивительно высокие для теневых растений.
•) Высокие значения вызваны дыханием грибов (фотосинтетически неактивных).
более низкое положение этих пунктов у глубоководных водорослей
выявилось бы еще более резко, чем это видно из данных табл. 43.
Вообще говоря, компенсационные пункты различных видов, при-
веденные в этой таблице, сравнимы только там, где эксперименты
выполнялись при очень близких условиях (одинаковые концентрации
двуокиси углерода, температура, предварительные условия выращива-
ния), в противном случае интенсивность дыхания данного вида может
сильно меняться. Растения, которые активно фотосинтезировали в тече-
ние некоторого времени, часто накапливают продукты ассимиляции и
дышат потом в несколько раз сильнее, чем подобные же растения,
голодавшие длительный период времени (см. данные Хардера в табл. 43).
Возможно, что наличием такого типа специфических условий можно
объяснить очень низкие величины /с, найденные Плетцером для неко-
торых водяных растений.
Отношение между дыханием и фотосинтезом при низкой интен-
сивности света изменяется обычно с увеличением температуры благо-
приятно для дыхания (см. гл. XXXI); вследствие этого повышение темпе-
ратуры может вызвать сдвиг положения компенсационного пункта
в сторону более высоких интенсивностей света (фиг. 186). Наркотики
влияют подобным же образом, так как при всех интенсивностях света
Световой фактор. Интенсивность
411
они уменьшают фотосинтез гораздо сильнее, чем дыхание (см. гл. XII).
Энзиматические яды (например, цианиды) могут оказывать меньшее
или даже противоположное действие, потому что при слабом освеще-
нии они довольно мало влияют на фотосинтез (см. фиг. 175, 181, А),
но большинство из них сильно подавляет дыхание.
У некоторых водорослей (например, рода Scenedesmas) цианиды
даже при интенсивном освещении влияют на дыхание сильнее, чем
на фотосинтез. У организмов этого типа прибавление цианида имеет
следствием сильный сдвиг компенсационного пункта в сторону низкой
Фиг. 186. Сдвиг компенсационного пункта при измене-
нии концентрации двуокиси углерода.
7—фотосинтез при высокой температуре и достаточной концентрации
СО,; II-— фотосинтез при высокой температуре и малой концентра-
ции СО,; 777—фотосинтез при низкой температуре и достаточной концен-
трации СО,; IV—дыхание при высокой температуре; V—дыхаЙйе при
низкой температуре.
интенсивности света (см. гл. XII). Указания на своеобразную разницу
в действии цианидов на фотосинтез выше и ниже компенсационного
пункта были даны в гл. XII (т. I, стр. 316).
Уменьшенное снабжение двуокисью углерода снижает фотосинтез,
не влияя на дыхание. Если вследствие недостатка двуокиси углерода
световые кривые начинают изгибаться уже при слабом освещении, то
компенсационный пункт может быть сдвинут к высоким интенсивностям
света (см. фиг. 186) или окажется вообще недостижимым. О таком
случае упоминалось в гл. XXVI, когда мы говорили об экспериментах
Чеснокова и Базыриной [74], а также Миллера и Барра [96], в кото-
рых газовый баланс наблюдался при интенсивностях света порядка
20 • 10s лк. Миллер и Барр [96] отмечают, что в тех случаях, когда
лимитирующим фактором является двуокись углерода, компенсирующая
интенсивность света не зависит от температуры. Из этого следует,
412
Глава XXVIII
что температурный коэффициент процесса снабжения двуокисью угле-
рода (диффузия или карбоксилирование?) практически равен темпера-
турному коэффициенту дыхания.
Насыщающая интенсивность света
Когда Рейнке открыл световое насыщение фотосинтеза, он нашел»
что оно происходит при интенсивности освещения, близкой к интен-
сивности солнечного света в полдень (So равно приблизительно 60-103 лк
в средних широтах; см. гл. XXV). В действительности, однако,
насыщающая интенсивность света сильно колеблется от вида к виду
и от образца к образцу. Одной из причин этого является разница
в оптической плотности. Насыщение начинается тогда, когда большин-
ство освещенных молекул хлорофилла получает определенный свето-
вой поток, и становится полным, когда наиболее сильно затененные
молекулы подвергаются действию светя этой насыщающей интенсив-
ности. Интенсивность падающего света, при которой имеет место
полное насыщение, должна зависеть, следовательно, от того, употреб-
ляем ли мы толстый или тонкий лист, концентрированную или разба-
вленную суспензию клеток. Этот «эффект плотности» был уже опи-
сан в гл. XXV; к нему мы вернемся опять несколько позже.
Даже если этот эффект плотности будет элиминирован либо экс-
периментально, посредством употребления оптически очень тонких
объектов, либо путем расчета (см. фиг. 193), насыщающая интенсив-
ность света для данного вида все же будет зависеть от внутренних
факторов, таких, как возраст и адаптация к сильному или слабому
свету, и от внешних переменных, таких, как снабжение двуокисйо
углерода и температура. Влияние концентрации двуокиси углерода
показано на фиг. 165 — 171, влияние температуры—нафиг. 172—174.
Употребляя обозначение «потолок», введенное в гл. XXVI, мы
можем сказать, что все, что понижает «потолок», накладываемый на
* суммарную реакцию фотосинтеза, должно сдвигать насыщение в сто-
рону более низких интенсивностей света. Эту роль может играть
уменьшение концентрации СО2, уменьшение количества доступных
восстановителей (для пурпурных бактерий) или снижение количества
одного из катализаторов. Температурный эффект является сложным,
так как изменение температуры влияет на все «потолки» одновре-
менно, как на те, которые налагаются диффузией, так и на те, кото-
рые определяются энзиматическими реакциями.
Среди внутренних факторов, влияющих на насыщающую интен-
сивность света, самым важным является адаптация к сильному или
слабому свету. Растения, приспособленные к теневым условиям,
являются часто более темнозелеными, т. е. содержат больше хлоро-
филла (на единицу площади или объема), чем соответствующие виды
или индивидуальные представители, адаптированные к сильному осве-
щению. Эта разница в оптической плотности сама по себе была бы
Световой фактор. Интенсивность
413
уже достаточна для того, чтобы изменить форму световых кривых.
Более темные тенелюбивые растения поглощают свет более эффек-
тивно, и их световые кривые должны подниматься вначале более круто.
Если более высокая оптическая плотность обусловлена увеличенной
концентрацией пигмента (при условии, что концентрации всех осталь-
ных составных частей каталитического аппарата остаются постоян-
ными), скорость фотосинтеза в момент насыщения, отнесенная к еди-
нице объема клеток (или к единице площади листьев, принимая тол-
щину последних за постоянную величину), должна быть одинаковой
для гелиофильной и умбриофильной разновидностей, тогда как ско-
рость этого процесса при световом насыщении, отнесенная к единице
количества хлорофилла, должна быть ниже у более темных предста-
вителей. Фактически условия являются более сложными, потому что
теневые листья часто бывают толще и клетки, выросшие в тени,
оказываются большими, чем подобные им гелиофильные клетки. Об
этом более детально будет идти речь в гл. XXXII. Нижеследующие
экспериментальные данные говорят о том, что скорость фотосинтеза
в момент насыщения у тенелюбивых растений обычно значительно
ниже, чем у светолюбивых, даже если ее отнести к единице объема
или площади, не говоря уже о пересчете на единицу количества хло-
рофилла. Это указывает, что адаптация к слабому освещению, кроме
увеличения концентрации пигмента, включает в себя также уменьше-
ние количества одного из катализаторов, которые оказывают лимити-
рующее влияние на скорость фотосинтеза. Более низкий «потолок»
скорости фотосинтеза теневых растений, соединенный с более крутым
начальным подъемом, часто ведет к очень быстрому световому насы-
щению. В то время как световые кривые светолюбивых растений
могут продолжать подниматься при 100 • 103 лк и даже выше (см.
данные Синга и Кумара, Смита, Бойсен-Йенсена и Габриэльсена
в табл. 41), световые кривые тенелюбивых растений могут показы-
вать насыщение уже при интенсивности света в 1 • 103 лк (см.
фиг. 187 и 189).
Разница в форме световых кривых гелиофильных и умбриофиль-
ных наземных растений впервые была замечена Вейсом [10], который
сравнивал тенелюбивое растение Polypodium со светолюбивым Oenoth-
era. Это явление исследовали также и другие авторы [14—17, 24,
31, 32, 50, 56, 58, 59]. Типичные результаты приводятся на фиг. 187,
188 и 189. На первой из этих фигур изображена кривая для тене-
любивого мха, который сравнивается со светолюбивым лишайником;
на второй — образцы адаптированных к теневым условиям двух водя-
ных растений сравниваются с представителями тех же видов, адапти-
рованными к солнечному свету; на третьей фигуре представлено срав-
нение световых кривых адаптированных к тени и солнцу листьев
одного и того же растения (см. также табл. 44). Мы видим, что
эффект филогенетической адаптации (фиг. 187) подобен тому, кото-
рый получается при индивидуальной адаптации целых растений
Фиг. 187. Световые кривые чистого газообмена тенелюби-
вого мха (Marchantia) и светолюбивого лишайника (Pettl-
gera). Насыщение для первого наступает при 1 000 лк,
для второго — при 20000 лк или выше.
I—Marchantia; II—Peltigera.
Интенсивность света, 103лк
Фиг. 188. Световые кривые фотосинтеза адаптированных к 'тени и к пря-
мому солнечному свету растений одних и тех же видов [106]. У первых
насыщение наступает при 40000 лк; у вторых—только при интенсивности
света значительно большей 80000 лк.
Z—растения, адаптированные к свету; ZZ—растения, адаптированные к тени.
Световой фактор. Интенсивность
415
(фиг. 188) или отдельных листов (фиг. 189). Цифры табл. 44 пока-
зывают далее, что дыхание адаптированных к тени растений слабее,
чем дыхание растений, адаптированных к солнечному свету.
Бёнинг [146] отметил, что скорость фотосинтеза адаптированных
к тени листьев деревьев Pyrus malus уменьшается при непрерывном осве-
щении светом в 32 • 103 лк в течение 20 дней от начальной величины около
20 мг до 5 мг СО2 на 100 см2 в 1 час. Напротив, адаптированные
к солнечному свету деревья не показали никакого уменьшения в тече-
ние того же периода непрерывного освещения даже светом в 50 • 103 лк.
Фиг. 189. Световые кривые листьев Fagus silvatica [57].
У первого насыщение наступает приблизительно при 30 000 лк,
у второго — при 3 000 лк.
I—листья, адаптированные к солнечному свету; II—листья, адаптированные
к теневым условиям.
Крамер и Деккер [138] сравнивали световые кривые серебристой
сосны и трех твердодревесинных лиственных пород и заметили, что
первая ведет себя как светолюбивое, а последние — как тенелюбивые
растения. Этот факт поддерживает ранее выдвинутое объяснение того,
почему молодые лиственные деревья вытесняют молодые сосны в ниж-
нем ярусе леса.
Любименко [50] и Монфорт [88] нашли, что некоторые виды
растений имеют стойкие умбриофильные и гелиофильные характери-
стики. Эти виды не в состойнии адаптироваться к освещению, отлич-
ному от того, к которому они приспособились в своем филогенети-
ческом развитии, тогда как другие виды способны к индивидуальной
перестройке, как показано на фиг. 188, 189 и в табл. 44.
Умбриофильные свойства являются типичными также для водоро-
слей, которые адаптировались филогенетически или индивидуально
к слабому освещению. Культуры Chlorella, выращенные при слабом
свете, богаче хлорофиллом, чем культуры, выращенные на сильном
416
Глава XXVIII
Таблица 44
ФОТОСИНТЕЗ (Р) И ДЫХАНИЕ (Л?) ТЕНЕВЫХ И СОЛНЕЧНЫХ ЛИСТЬЕВ ОДНОГО
И ТОГО ЖЕ РАСТЕНИЯ, мг СО, на 100 см1 в 1 час
(по Бойсен-Йенсену и Мюллеру [57])
Вид	Лист	R	р чистый на 1 000 лк	р 'макс чистый	^макс/&
Fraxinus excelsior	Солнечный . . .	1,2	1,4	9,8	8,2
• »	Теневой ....	0,4	2,2	4,2	10,5
Fagus silvatica	Солнечный . . .	1,0	2,2	6,6	6,6
»	V	Теневой ....	0,2	1,8	2,4	12,0
свету (см, табл. 45); световые кривые таких адаптированных к тени
клеток поднимаются более круто и достигают насыщения раньше, чем
кривые клеток, адаптированных к свету. Подобным же образом
Ван-дер-Паув [77] нашел, что клетки Hormidium, выросшие на сла-
бом свету (2 000 лк), становятся светонасыщенными при сравнительно
слабом освещении (5 000 лк) и показывают световое торможение при
интенсивностях, лишь немного превышающих указанный предел.
Водоросли, которые живут глубоко под водой, в особенности
красные, ведут себя, как резко выраженные тенелюбы (умбриофилы),
и их фотосинтез также достигает насыщения уже при интенсивности
света порядка тысячи люксов.
Абсолютная максимальная скорость
Ранее было указано, что одновременное увеличение концентрации
двуокиси углерода и интенсивности света ведет обычно к насыщению
фотосинтеза задолго до того, как «углекислотное ингибирование» или
«световое ингибирование» становятся очевидными. Мы допускаем
поэтому, что независимо от всякого торможения некоторые внутрен-
ние факторы, такие, например, как ограниченная доступность опре-
деленных катализаторов, приводят к появлению «абсолютного потолка»
(т. е. «потолка», независимого ни от [СО2], ни от Г) для максималь-
ной скорости фотосинтеза.
Определение этой максимальной скорости представляет интерес
как с практической точки зрения (абсолютная и относительная оценка
различных растений как источников органического вещества), так и
для изучения кинетического механизма фотосинтеза. Однако эти два
аспекта требуют различных методов сравнения. Для решения практи-
ческих задач в качестве основы для определения скорости удобнее
использовать единицу поверхности, так как задачей является опре-
деление количества органического вещества, которое может быть
собрано с единицы площади, покрытой растениями различных видов.
Таблица 45
абсолютные максимальные скорости фотосинтеза различных растений
Материал	PZo° СО«				Время ассимиля- ции (ТА), сек. ‘)
	иа 100 г сырого веса	на 100 г сухого веса	на 100 см1- 1 000	на 1 а хлорофилла Ьд) 9	
Данные Вильштеттера и Ш		толя [27]; 20°, воздух с			5% СО,
„Нормальные* листья					
Aesculus hippocastanum .	1,55	5,4	33	6,4	24
Acer negundo		1,92	8,6	40	7,7	20
Tilia cordaia		1,88	5,8	28	6,6	24
Sambucus nigra ....	1,46	5,6	34	6,6	24
Листья с высоким значе- нием	-				
Helianthus annuus . . .	2,30	13,4	80	14,0	11
Populus pyramidalis . .	1,90	6,0	40	10,0	16
Pelargonium peltafum . .	1,19	19,8	—	14,5	10
Молодые и старые листья					
Acer pseudoplatanus (молодой) 		0,98	3,0	16	11,8	13
Acer pseudoplatanus (старый)		2,07	5,8	26	5,2	30
Tilia cor data (молодой)	0,98	3,6	18	14,2	И
„	» (старый)	1,85	5,8	28	6,6	24
Зеленые и желтые листья					
Quercus robur (зеленый)	1,96	4,4	41	7,8	20
»	, (желтый)	1,03	2,9	19	55	2,8
Sambucus nigra (зеленый)	1,96	5,3	34	6,6	24
„	» (желтый)	0,88	4,7	18	120	1,3
Ultnus (зеленый)		1.11	3,8	21	6,9	23
„ (желтый)		0,98	3,9	24	82	1,9
27 Зака 4040. Е. Рабинович
418
Глава XXVIII
Продолжение табл. 45
Материал	[COJ	°C	рмако ьтакс	’А	ТА	Ссылка на лите- ратуру
Данные Sinapis alba		других и 0*07%	селе/ 20	1 о в а т е л 22 2)	е й	—	[79J
Impatient sultani ....	0,15%	18	242)	—	—	
Plectanthrus fruticosus	0,15%	18	202)	—	—	[115]
Codineum hybridum . .	0,08%	18	8 2)	—	—	
Огородные растения (зем-	Вода в рав-	25	4—182)	—	—	[142]
ляника, спаржа, капу- ста, томат, огурец и т. д.) Potomageton crispus . .	новесии с 9°/о СО2 Жесткая			72)	—			[112]
Ulva lactuca		водопровод- ная вода	23	1,32)		—	[19]
Porphyra laciniata . . .	—	23	1,8 2)	—	—	
Gigartina harveyana . .	Морская	15	142)				[86,87]
Hormidium flaccidum . .	вода	20	—	6,8	23	[65]
Chlorella pyrenoidosa (теневые клетки) . . .	Карбонат- ный буфер			11,5 з)	4,1	36	[125]
Chlorella pyrenoidosa (световые клетки) . . .	№ 9 То же	—	13,43)	2,8	56	
х) мд—ассимиляционное число;
Гд—время, в течение которого ассимилирующий орган или клетка восстанавливают такое
число молекул СО2, которое соответствует числу молекул содержащегося в них
хлорофилла.—Прим. ред.
*) СОП иа 100 см1 мг в 1 час.
•) СОе, ? иа 100 г сухого веса в 1 час.
С точки зрения теоретика, для сравнительных пересчетов следует
использовать не единицу поверхности, а скорее единицу клеточного
объема или содержания хлорофилла.
Вильштеттер и Штоль |27] назвали максимальное количество дву-
окиси углерода, которое может быть восстановлено в единицу вре-
мени единицей количества хлорофилла в клетке или ткани, ассими-
ляционным числом (>д в табл. 45), а наикратчайшее время, за кото-
рое на каждую одну молекулу хлорофилла может восстановиться
Световой фактор. Интенсивность
419
одна молекула двуокиси углерода (7д в табл. 45), — временем асси-
миляции. Анализ этих констант будет проведен в гл. XXXII.
В гл. XXVII мы обозначили максимальную скорость фотосинтеза,
достигаемую с насыщающей концентрацией двуокиси углерода при
данной интенсивности света, через Рмаво; мы можем употреблять сим-
вол Рмаке для максимальной скорости, достигаемой при данной кон-,
центрации двуокиси углерода, когда интенсивность света становится
насыщающей, и символ Рмакс для абсолютной максимальной скорости
получаемой тогда, когда и концентрация двуокиси углерода, и интен-
сивность света являются насыщающими.
Табл. 45 показывает, что для листьев наземных растений Рмако
обычно является величиной порядка 20 мг СО2 на 100 см2 поверх-
ности листьев в 1 час и иногда достигает 80—90 мг. Даже желтые
листья, несмотря на очень низкое содержание хлорофилла, не пред-
ставляют исключения. Только некоторые водоросли и водяные расте-
ния, исследованные Книпом [19], Эмерсоном и Грином [86] и Гесс-
нером [112], далеко не достигают такой производительности. Выход
в 20—80 мг СО2 на 100 см2 в 1 час, если принять, что он дости-
гается на свету 40 • 103 лк, 80% которого поглощается листом,
соответствует превращению в химическую энергию от 4 до 16°/0
поглощенной световой энергии (в фотосинтетически активном участке
спектра 400—700 лгр.) и, следовательно, квантовому выходу между
0,018 (Vge) и 0,07 (Vh)- Этот расчет основан на факторах, приве-
денных в гл. XXV. Соотношение указанных выходов, которые можно
получить на сильном свету, и максимальных квантовых выходов, на-
блюдаемых при слабом свете, будет подвергаться обсуждению
в гл. XXIX. У желтых листьев квантовый выход в светонасыщенном
состоянии является, повидимому, более высоким, так как приблизи-
тельно то же самое количество двуокиси углерода восстанавливается
здесь при менвшем поглощении света.
Однако среднее поглощение белого света желтыми листьями может
быть различным, изменяясь, в зависимости от фактического содержа-
ния хлорофилла, от 30% и ниже до 75% поглощения света нор-
мальным зеленым листом того же вида растений. Необходимо по-
этому при определениях квантового выхода в светонасыщенном
состоянии проводить измерения поглощения света и измерения выхода
фотосинтеза с одними и теми же образцами.
Тот факт, что желтые листья могут поглощать почти столько же
падающего света, сколько нормальные зеленые листья, заставил Зей-
больда и Вейсвейлера [133] считать высокие ассимиляционные числа
этих листьев результатом ошибки, а не признаком исключительно
высокой способности к фотосинтезу (как полагали Вильштеттер и
Штоль). Однако способность к фотосинтезу в светонасыщенном состоя-
нии, ^мавс) не является функцией эффективности поглощения света,
а служит мерой количества лимитирующего энзима, присутствующего
27*
420
Глава XXVIII
в клетках. Значения Рмако для желтых листьев показывают, что
в этих листьях ненормально низкое содержание хлорофилла не сопро-
вождается пропорциональным уменьшением содержания энзима, лими-
тирующего скорость процесса.
Выходы, полученные Ноддаком и Коппом [125] при работе
с Chlorella pyrenoidosa и отнесенные к сухому весу, являются более
высокими, чем выходы для большинства наземных растений, приве-
денные в табл. 45. Однако вследствие высокой концентрации хлоро-
филла в Chlorella (3—4% вместо 0,5—1% в листьях) соответствую-
щие ассимиляционные числа не только не выше, но даже несколько
ниже, а время ассимиляции несколько длиннее, чем величины, данные
Вильштеттером и Штолем для листьев высших растений.
Подобно максимальному квантовому выходу (при низкой интен-
сивности света) максимальная скорость фотосинтеза (на сильном свету)
является константой для данного растения, т. е. она независима от
оптической плотности выбранного материала. Единственным внешним
фактором, который оказывает в этом случае влияние (не считая
присутствия ядов или ингибиторов), является температура (см.
фиг. 172—174). Но трудно, если не невозможно, определить абсолютную
максимальную скорость фотосинтеза как функцию температуры. При
коротких экспериментах наивысшие скорости для растений, адапти-
рованных к умеренным условиям, могут быть получены при темпера-
туре около 35°, но при продолжительных экспериментах тепловое
подавление склонно проявляться даже при таких низких температу-
рах, как 22—25° (см. гл. XXXI). В табл. 45 мы приводим данные,
полученные в большинстве случаев при 18—20° и по величине,
безусловно, меньшие, чем наивысшие скорости, к которым большинство
из исследованных растений было бы способно при более высоких
температурах (по крайней мере, на короткий период времени).
Максимальная скорость фотосинтеза какого-нибудь вида или инди-
видуального растения зависит от адаптации к сильному или слабому
свету. В предыдущем разделе указано, что виды или индивидуумы,
адаптированные к теневым условиям, имеют, как правило, более низ-
кую предельную скорость, что указывает на уменьшенное содержание
лимитирующего скорость катализатора. Кроме того, они часто пока-
зывают более раннее начало светового подавления (фиг. 190).
Так как подавление избытком света зависит от времени действия
последнего (см. т. I, гл. XIX), то величина Рмакс адаптированных к тени
растений изменяется с продолжительностью освещения. В связи с этим
следует вспомнить кривые зависимости фотосинтеза от времени, кото-
рые были получены Хардером [84] для Fontinalis antipyretica (см.
фиг. 139). По общему впечатлению от этих сложных кривых можно
сказать, что фотосинтез уменьшался с течением времени (т. е. расте-
ния страдали от светового повреждения) всякий раз, когда освещение
было более интенсивным, чем свет, к которому данные образцы при-
выкли за период роста.
Световой фактор. Интенсивность
421
В предыдущем разделе было отмечено, что у адаптированных
к тени растений более низкое содержание энзима, обусловливающего
абсолютное насыщение фотосинтеза, сопряжено с более высоким
содержанием хлорофилла. В гл. XXXII мы встретимся с другими слу-
чаями, когда содержание энзима, лимитирующего скорость фотосин-
теза, повидимому, не зависит от содержания хлорофилла (клетки
Chlorella, выросшие на слабом или сильном свету, см. табл. 36 и 45;
Фиг. 190. Типичные световые кривые крас-
ных, бурых и зеленых водорослей [63]. Интен-
сивность света в относительных единицах и
в долях полного солнечного света (S). Взят
одинаковый свежий вес водорослей.
I—Cladophora rupestris, зеленая водоросль; II—Fucus
vesiculatus, бурая водоросль; III— Rhodymenia palmata,
красная водоросль.
разновидности вышеупомянутых наземных растений с зелеными и
желтыми листьями, см. табл. 45), и со случаями, когда концентрации
этих веществ меняются в одном и том же направлении, например
у клеток Chlorella, превратившихся из-за недостатка железа в хлоро-
тические.
Форма световых кривых адаптированных к тени растений много
раз подвергалась обсуждению в экологической литературе, особенно
в связи с изучением производительности фотосинтеза водяных расте-
ний на различной глубине под поверхностью. По имеющимся наблю-
дениям, даже зеленые водоросли или высшие растения, найденные на
небольшой глубине (порядка нескольких метров), где они не могли
422
Глава XXVHI
приобрести особенно резко выраженные умбриофильные свойства,
выделяют максимальное количество кислорода, находясь на опреде-
ленной глубине, и показывают световое подавление на прямом сол-
нечном свету. Однако это явление может объясняться, хотя бы частично,
влиянием температуры. Гораздо более резко выраженные оптимумы
кривых зависимости выхода от глубины были найдены для фотосин-
теза окрашенных (бурых или красных) водорослей на различной глу-
бине под водой.
Рутнер [43] и Шомер [89] наблюдали, что некоторые высшие
водяные растения (Elodea, Myriophyllam, Ceratophyllum) имеют макси-
мальную производительность на глубине 1—5 м. Куртис и Джю-
дей [103] нашли подобный оптимум для зеленых водорослей Anaboena
и Gloethea на глубине 9—10 м. Ван-дер-Паув [77] обнаружил, что
Hormidium, выросший на свету в 2 000 лк, показывает световое
подавление при 5 000 лк. Однако Гесснер [112] не нашел никакого
оптимума у световых кривых Elodea, выросшей в тени или на солнце,
при ламповом освещении вплоть до 30 000 лк. Для имитации солнеч-
ного света он попробовал применить ультрафиолетовый свет
(360—400 jffi), но это также не привело к подавлению. Он предпо-
ложил, что соответствующий оптимум, обнаруженный для Elodea пре-
дыдущими исследователями, может объясняться не адаптацией к опре-
деленной интенсивности света, а скорее хроматической адаптацией
к свету определенного спектрального состава (к синевато-зеленому
свету). Это объяснение, однако, неправдоподобно, так как оно при-
водит к заключению, что фотосинтез может быть подавлен путем
прибавления к зеленому свету красного и сине-фиолетового. Между
тем такого подавления никогда не удавалось наблюдать. Возможно,
что условия снабжения двуокисью углерода более благоприятны на
определенной глубине, чем на поверхности, и это приводит к увели-
чению скорости фотосинтеза при увеличении глубины до тех пор,
пока интенсивность освещения остается достаточной для светового
насыщения.
Особое внимание было обращено на зависимость максимальной
производительности и светового подавления окрашенных водорослей
от вертикального распределения этих растений под водой. Энгельман
предположил (см. т. I, гл. XV, стр. 423), что цвет бурых и в осо-
бенности красных водорослей является результатом хроматической
адаптации преимущественно к синевато-зеленому свету, который
превалирует глубоко под водой. Бертольд [2] и Ольтманс [12] пола-
гали, что окрашенные водоросли адаптированы не столько к спек-
тральному составу света их естественной среды, сколько к его низ-
кой интенсивности. Возникшая дискуссия, которая привела к почти
полному подтверждению энгельмановской теории хроматической адап-
тации, будет обсуждаться в гл. XXX. Однако тот факт, что для
состава пигментной системы глубоководных водорослей основное зна-
чение имеет хроматическая адаптация, не означает еще, что эти водо-
Световой фактор. Интенсивность
423
росли не адаптированы также и к низкой интенсивности света и не
используют одинаковый механизм — изменение относительной кон-
центрации красных, синих и зеленых пигментов — для обоих видов
адаптации (см. Хардер [34, 35]).
Реакцию на сильное освещение у окрашенных водорослей, вырос-
ших на различной глубине, изучали, среди прочих, Моша [40, 47],
Маршалл и Ор [46, 51], Эрке [70], Куртис и Джюдей [103] и
в особенности Монфорт [63, 64, 82, 83, 88, 100]. На фиг. 190
приведена типичная кривая с оптимумом, полученная этим последним
автором. Монфорт заметил, что водоросли, выросшие на одной и той
же глубине, часто показывают различную стойкость к сильному свету:
некоторые красные водоросли, содержащие много фикоцианина (на-
пример, Rhodymenia palmatay продолжали активно синтезировать на
поверхности, тогда как другие, найденные на той же глубине, но
содержащие главным образом фикоэритрин (например, 'Delesseria
alata), получали «солнечный удар» и погибали. Живущая на поверх-
ности почти чистозеленая форма синей водоросли Gigartina. ведет
себя подобно тенелюбивому растению, тогда как фиолетовая, глубо-
ководная форма того же самого вида, содержащая много фикоциа-
нина, поддерживает полную эффективность фотосинтеза даже на пря-
мом солнечном свету.
Максимальная скорость и средняя скорость фотосинтеза
в естественных условиях
Кривая, соответствующая [СО2] = 0,03%, с теоретической точки
зрения, не является более важной, чем всякая другая световая кривая
фотосинтеза, но величина фотосинтеза при световом насыщении в этом
случае имеет значительный интерес, так как она представляет макси-
мальную скорость образования органического вещества наземными
растениями на открытом воздухе (при росте в защищенных траво-
стоях или при других ненормальных условиях концентрация двуокиси
углерода может колебаться от 0,01 до 0,1%, и это должно влиять
на максимальную скорость фотосинтеза в ряде случаев и в естествен-
ной среде).
В гл. XXVII было указано, что при [СО2] = 0,03% и при интен-
сивном освещении снабжение двуокисью углерода оказывает значи-
тельное лимитирующее влияние на скорость фотосинтеза и величина
его при световом насыщении может быть ниже, чем абсолютный
максимум при той же температуре. Табл. 46 содержит несколько
соответствующих экспериментальных данных (более полную таблицу
см. у Штокера [98]). Большинство цифр этой таблицы представляет
чистое потребление двуокиси углерода. Для сильно фотосинтезирующих
растений соответствующие величины истинного фотосинтеза будут
на 10—15% выше; для слабо фотосинтезирующих растений (напри-
мер, для арктических растений, исследованных Мюллером) разница,
£
Таблица 46
МАКСИМАЛЬНЫЙ ВЫХОД ФОТОСИНТЕЗА ЛИСТЬЕВ НАЗЕМНЫХ РАСТЕНИЙ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ')				
Вид	Растения, адаптирован- ные к тени (Т), к свету (С)	рмако ’) с0 чист	’ лг/1оО сл’-час	рмако (вычисленный). СО», .кг/100 ,см'2-час	Ссылка на литературу
Salix glauca (10°)	 Salix glauca (20°)	 Chamaenerium latifollum (0°)	 Rumex acetosella (10°)	 Rubus chamaemorus		А р к т и ч С С С с с	еская зона 4 6 10 12 8 Среднее 8	(6) (9.5) (10.5) (13)	[53] (Гренландия) [66—68] (Арктич. обл. СССР)
Умеренные зоны
Дания
Fagus silvatica (20°)		C	6,6	(7,6)	
Fagus silvatica (20°)		T	2,4	(2,6)	[24]
Fraxinus excelsior (20°)		C	9,8	(U.0)	
Fraxinus fixc^lsior (20°)		T	4,2	(4,6)	
Alchetnilla minor (20°)		c	7,2	(8,0)	
Betula verrucosa (20°)		c	6,4	(7,6)	[57, 58]
Plantago major (20°)		c	11,0	(12.2)	
Splnacia oleracea (20°)		c	18,6	(20,4)	
Rumex acetosella (20°)		c	9,0		
Sambucus nigra (20°)		c	4,6		
Sambucus nigra (20°)		T	1,7		[72]
Oxalis acetosella (20°)		T	1,6		
Sinapis alba (20°)		c	16,0		
Avena (20°)		c	13,0		
Sinapis alba (20°)...............
Недостаток N (20°)............
Sinapis alba (20°)...............
Sinapis alba (20°)...............
Artiplex latifolium (18°)........
Oxalis acetosella (18°)..........
Stellaria nemorum................
Anemone nemorosa.................
Eupteris aquilina................
Polypodium vulgare...............
Solanum tuberosum................
Solanum lycoperslcum.............
Beta vulgaris....................
Phaseolus vulgaris...............
Alchemilla (14—22°)..............
Plantago major (11—17°) ....
Betula pubescens.................
Phleum platense (17—20°) . . . .
Trifolium pratense (20—29°) . . .
Alchemilla.......................
Betula pubescens.................
Lappa major......................
Rubus idaeus.....................
Al ism a plantago................
oonnnonono	ППППНПНННП	noon
	26
	14
	20
	26
Среднее 13(C)	
Швеция
	17,2 4,8 2,9 11,0 9,4 5,6 20,0 16,8 20,1 17,0	1 J 1
Среднее 16(C)		
СССР
[76]
[95]
[107]
[31]
[69]
[42]
[39]
[54]
18—11, 18—26*
18—26, 12—18*
15—22, 10—15*
18—27, 9—16*
23—25, 16—24*
20,5
9,8
17,0
6,5
5,1
[45]
[48]
Продолжение табл, 46
Вид	Растения, адаптирован- ные к тени (Т), к свету (С)	рмако’) рл ^чнот лг/100 слР-час	рмако (вычисленный), cot, .кг/100 см^'час	Ссылка на литературу
Plnus silvestris (23°)		с	13,2 3) 5,1		ГА11
Plnus silvestris (23°) . . л		т	6,43) з16 4)		[01]
Fagopyrum esculentum 		с	10,5		
Hordeum sativum		с	29,5		[52]
Clyclne hispida		с	31,8		
Tri folium repens		с	36,0		
Epldemium colchicum		с	48,6		
Tamus communis		с	49,8		[66] (субтропики)
Bambusa auricoma		с	38,7		
Bambusa phyllostrachys		с	20		
Eriobotyra japonlca	 Plrus malus		с с	29,1 34,9		|	[81] (субтропики)
	Среднее 24(C)			
Другие страны
HeUanthiis annaus 		C	24*		|	[4] (Германия)
Cucurbita pepo		C	20*		
Melianthus annuus		c	5,5		
Tropaeolum majus , . .		c	3,1		
Polygonum weyrichii		c	3,9		[13] (Англия)
Catalpa blgnoinoides		c	4,7		
Patasitas albus		c	1,9		
Rhododendron brachycarpum 		T	2,8		)
Acer tschenoskli		T	4,1		|	[75] (Япония)
Pars tetraphylla		T	2,2		
Fagus silvatica........................
Anemone nemorosa.......................
Viola rivinlana........................
Lemna minor (29°).......................
Pyrus mains.............................
Pyrus malus.............................
Phoenix dactylifera....................
Nerlum oleander........................
Zila macroptera....................  .	.
Limoniastrum feel.......................
Cousinia pseudomollis...................
Alhagi camelorum........................
Capparis herbacea................  .	. .
Heliotropium arguzioides...............
Arthrophytum haboxylon.................
Tritlcum sativum...................  .
Andropogon halepensis..................
Medicago sativa........................
Vitls vinifera.........................
Artiplex vesicarium.....................
Helianthus annuus........................
Nicotiana rustlca........................
Cedrella serrulata.......................
Acalypha tricolor........................
Cassia timorensis ......... • • .
т	2,2
т	6,0
т	2,5
с	10
с	20
т	20 ->3
Среднее 5 (С)	
Пустыня
С	3,4
С	10,3
С	10,9
С	1,3
С	62,1
С	56,3
С	68,5
С	27,3
С	27,1
С	36,5
С	38,0
С	22,4
С	16,1
С	10,0
Среднее 28 (С)
Тропические зоны
С	8,0
С	9,0
С	5,7
С	4,8
С	19,2
[85] (Германия)
[92] Англия
[146] (Огайо, США)
 [73] (Алжирская пустыня)
Глинистая
пустыня
1 Песчаная
пустыня
[68]
(Централь-
ная Азия)
О рошенная
пустыня
[78] (Австралийская пустыня)
[8] (Ява)
Продолжение табл. 46
Вид	Растения, адаптирован- ные к тени (Т), к свету (С)	рмако-) рр 'чист U2’ мг/100 см^.час	рмакс (вычисленный), COg, лг/100 случае	Ссылка на литературу
Сахарный тростник		с	5,0		
Cocos nucifera			с	0,9		|	[29] (Филиппины)
Musa textilis		с	1,0		
Abutilon darwinii ............	с	7,5		[41] (Индия)
Cassia fistula (28°)		с	10,9	(13,5)	
Cassia fistula (28°)			т	8,6	(10,6)	
Stelechocarpus bwrahol (28°)		с	6,3	(8,3)	[71] (Ява)
Stel echocarp us bwrahol (28°)		т	2,6	(3,2)	
Calophyllum inophyllum (28°)		с	7,3	(Ю)	
		Среднее 6,9		
		Горы		
Eurotia ceratoides (24°)		с	== 44		
Qentiana algicola (20е) 		с	2=100		[94] (Памир)
Ячмень 		с	== 30		
Crepis montana		с	60		
Geum montanum		с	48		[108] Альпы
Alchemilla alpina		с	90		
1) Цифры в скобках—вычисленные скорости истинного фотосинтеза. Все данные, за исключением отмеченных звездочкой, получены посред-
ством определения двуокиси углерода; данные со звездочкой—посредством анализа ассимилятов.
’) =PMaKC--R; СО2 мг/1Ю случае.
8) Максимальные значения.
4) Средние значения.
Световой, фактор. Интенсивность
429
как показывают цифры в скобках, может быть гораздо больше.
В табл. 46 содержится несколько бросающихся в глаза противоречий,
которые еще ждут своего объяснения. Наблюдается, например, боль-
шая разница между величинами p*aKDt найденными Бойсен-Йенсеном
и его сотрудниками (обычно 1 —10 и в отдельных случаях до 20—25 мг
СО2 на 100 см2 в 1 час), и гораздо большими величинами, получен-
ными— часто для тех же видов и при тех же климатических усло-
виях— Костычевым и другими русскими физиологами (обычно 10—40
и в отдельных случаях до 80—100 мг СО2 на 100 см2 в 1 час).
Только для арктических растений имеется приблизительное совпа-
дение между данными сотрудника Бойсен-Йенсена Мюллера и дан-
ными Костычева и его сотрудников. Для адаптированных к сильному
освещению растений умеренной зоны средняя величина, по данным
датских исследователей, равна 13 мг\ шведских—16 мг, английских,
японских и немецких (за исключением ранних работ Сакса, выпол-
ненных по методу определения крахмала в двух половинах листа) —
10 мг. Средняя величина из анализов русских ученых равна 24 мг.
Результаты, полученные Костычевым, Базыриной и Васильевым [45]
посредством определения синтезированных ассимилятов, не отличаются
значительно от результатов, полученных ими же посредством опреде-
ления поглощенной двуокиси углерода.
В гл. XXVII было упомянуто, что Костычев и его сотрудники
приписали низкие данные Бойсен-Йенсена недостаточно быстрой га-
зовой циркуляции. Бойсен-Йенсен и Мюллер [57, 58] это отрицали;
однако из табл. 46 видно, что позднейшие измерения датской школы
дали несколько более высокие цифры по сравнению с цифрами 1918 —
1929 гг., что почти в 2 раза уменьшает расхождение между средними
данными датской школы и данными русских ученых.
В разделе, содержащем данные о растениях из засушливых рай-
онов, мы находим подобное же расхождение между результатами
Хардера и его сотрудников (Алжир) и Вуда (Австралия), с одной сто-
роны (1 —10 мг СО2 на 100 см2 в 1 час), и Костычева и Кардо-
Сысоевой (Центральная Азия) — с другой (20—70 .иг).
В разделе «Тропические зоны» практически все приведенные дан-
ные лежат в пределах от 1 до 10 мг (измерения русских исследо-
вателей здесь не приводятся; см. данные Костычева и Курганова для
субтропической растительности Черноморского побережья, помещен-
ные в разделе, посвященном работам советских исследователей).
Для группы альпийских растений как Мёнх [108], так и русские
исследователи нашли наибольшие выходы из наблюдавшихся когда-
либо в естественных условиях. Еще ранее Генричи [26] сообщил
о полученном им у альпийского растения Bellis perennis выходе
в 232 мг СО2 на 100 см2 в 1 час. Эта величина кажется настолько
невероятно высокой, что мы ее не включили в табл. 46; однако даже
результаты Благовещенского [94] и Мёнха [108] (90—100 мг СО2
на 100 см2 в 1 час) указывают на очень высокие квантовые выходы
430
Глава XXViil
(порядка 20 квантов на 1 восстановленную молекулу СО2 при свете
интенсивностью 80 • 103 лк и содержании СО2 не свыше 0,03%).
Не следует думать, что концентрация двуокиси углерода состав-
ляла точно 0,03% при всех измерениях, приведенных в табл. 46.
В опытах Благовещенского на Памире, например, анализы на СО2
показывали результаты между 0,01 и 0,02% и наивысшие выходы
получались при [СО2] = 0,02%, хотя эта концентрация все же зна-
чительно ниже нормальной величины (0,03%). Штокер нашел в ниж-
нем ярусе тропического леса величины [СО2] вплоть до 0,04% (см.
также данные в гл. XXVII).
Суммируя, можно считать определенно установленным, что расте-
ния умеренного климата способны восстанавливать в естественной
обстановке и при благоприятных условиях 20 или 30 мг СО2 в 1 час
на 100 см2 листовой поверхности; значительно менее ясным является
вопрос, способны ли какие бы то ни было растения, в том числе
даже засухоустойчивые и альпийские, к тем выходам (вплоть до
100 мг СО2 на 100 см? в 1 час), какие следуют из опытов Косты-
чева, Мёнха и Благовещенского.
Рассмотрим теперь соотношение между максимальным выходом
фотосинтеза, к которому способны листья в благоприятных есте-
ственных условиях, и средней продукцией органического вещества це-
лыми растениями или большими группами растений.
Можно ожидать, что наземные растения при солнечном освещении
на открытом воздухе будут поддерживать вышеприведенную скорость
фотосинтеза (около 20 мг СО2 на 100 см? в 1 час) значительную
часть дня (исключая полуденную депрессию; см. гл. XXVI). Интен-
сивность освещения достаточна или почти достаточна для светового
насыщения большую часть дня, если только не имеется сильной об-
лачности. Однако снабжение двуокисью углерода в естественных
условиях часто может быть менее константным, чем в лабораторных
опытах при пропускании газа с 0,03% СО2, и это может приводить
к значительным колебаниям в скорости фотосинтеза. В неподвижном
воздухе вокруг растений образуется слой с недостаточным содержа-
нием СО2, что вызывает уменьшение скорости фотосинтеза. С другой
стороны, выделяемая почвой двуокись углерода, образовавшаяся в ре-
зультате корневого дыхания и разложения органического вещества,
может улавливаться листвой и таким образом обеспечивать усиленный
фотосинтез (см. стр. 318). Некоторое количество двуокиси углерода
из почвы может достигать листьев с транспирационным током (см.
стр. 326).
Таким образом, колебания в снабжении двуокисью углерода в при-
родных условиях могут быть значительными, и эти колебания в боль-
шей степени, чем изменения в интенсивности освещения, могут слу-
жить причиной того, что скорость фотосинтеза наземных растений
не одинакова в различных местностях и в пределах данной местности
колеблется на протяжении дня. То же самое, повидимому, имеет
Световой фактор. Интенсивность	43.1
место и для многоклеточных водяных растений. Как уже упоминалось,
Гесснер [106] установил, что уменьшение скорости фотосинтеза выс-
ших водяных растений с течением времени (явление, на которое
в числе прочих исследователей указывал и Арнольд) объясняется
в основном недостаточной циркуляцией воды. Хотя карбонаты, содер-
жащиеся в природной, особенно в жесткой, воде, представляют собой
значительный резерв двуокиси углерода, диффузия растворенных элек-
тролитов настолько медленна, что вокруг погруженного растения обра-
зуется щелочной слой с малым содержанием СО2.
Гесснер [112] нашел (см. табл. 45) довольно низкое значение
(7,0 мг СО2 на 100 см2 в 1 час) для максимальной скорости восста-
новления двуокиси углерода у Potomageton crispus в жесткой водо-
проводной воде; у Potomageton perfoliatus соответствующее значение
было еще ниже (4,8 мг СО2 на 100 с.и2 в 1 час). Такая интенсив-
ность составляет меньше ’/з интенсивности фотосинтеза наземных
растений в обычной атмосфере. При этом она в 5—10 раз меньше
интенсивности фотосинтеза листьев, в изобилии снабжаемых двуокисью
углерода. Это указывает, что фотосинтез водяных растений, исследо-
ванных Гесснером, мог лимитироваться недостатком СО2, несмотря
на относительно высокое содержание карбонатов в окружающей среде.
Гесснер приписал низкую производительность водяных растений на
единицу площади тому, что их листья состоят только из немногих
слоев клеток, однако в настоящее время не имеется никаких указа-
ний на то, что поглощение света этими растениями может быть
в 3—5 раз меньше, чем поглощение обычных листьев.
Мало вероятно, что одноклеточные водоросли, с их исключительно
благоприятным отношением поверхности к объему, чувствуют какой-
либо недостаток в снабжении двуокисью углерода, по крайней мере
до тех пор, пока средняя концентрация карбонатов в воде достаточно
велика и перемешивание достаточно интенсивно. Так как эти водо-
росли составляют громадное большинство растительных организмов,
живущих в море, мы можем сделать заключение, что общий фото-
синтез морской флоры, в отличие от фотосинтеза флоры континен-
тальной, в малой степени зависит от ограничений в снабжении дву-
окисью углерода.
Кроме колебаний в снабжении двуокисью углерода, на среднюю
скорость фотосинтеза в естественных условиях влияют также и дру-
гие внешние факторы, такие, как колебания температуры и влажно-
сти, и внутренние изменения, обусловливающие непрерывное «старе-
ние» и временный «покой» растений. Наконец, изменения в яркости
дневного света, особенно у видов, адаптированных к сильному осве-
щению, безусловно, влияют на скорость фотосинтеза, хотя, может
быть, значение этого фактора менее важно, чем это может показаться
на первый взгляд.
В гл. I (т. I) нами было приблизительно вычислено, что растения
используют от 1,5 до 6°/0 падающей солнечной энергии (средняя
432
Глава XXVIII
интенсивность освещения принималась равной 20 .103 лк}. Теперь мы
хотим сравнить эти данные с результатами нескольких исследований,
в которых определение производительности фотосинтеза в естествен-
ных условиях комбинировалось с измерением (или оценкой) солнеч-
ной радиации, падающей на растения за тот же период времени. Эти
исследования могут быть подразделены на две группы: исследования
с постановкой непродолжительных опытов (несколько часов) и экс-
перименты, продолжавшиеся несколько недель или месяцев. Табл. 47
содержит результаты трех непродолжительных опытов. Цифры Брауна
и Эскомба были получены в тех же исследованиях, которые дали
низкие абсолютные выходы, приведенные в табл. 46. Использование
световой энергии было соответственно низким (порядка 1% па-
дающей энергии или, по вычислению, 2,5Э/О видимого излучения,
поглощенного растениями). Цифры Пуриевича и Бозе значительно
выше и могут быть помещены в одном ряду с более высокими абсо-
лютными скоростями восстановления СО2, найденными Вильштеттером
и Штолем при 5°/'о двуокиси углерода (табл. 45) и многими совре-
менными исследователями в обычном воздухе (табл. 46).
Таблица 47
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Растение	Использован- ная доля падающей энергии.	Использован- ная доля поглощенной энергии (400—700 лер.), °;'о		Ссылка на литературу
Polygonum weyrichii		0,5-1,7			
Tropaeolum majus		0,8—1,4		2,5 I)	[13]
Petasites al bus		1,1—1,3			
Helianthus annuus		0,3—0,7			
Acer platanoides		0,6-2,7			
Polygonum sacchalinensis	 Helianthus annuus		1,1—7,7 4,5		7,5 1)	[20]
Saxifraga cordifolia		5,0			
Hydrilla		—		6,7	[37]
х) Эта средняя величина использования поглощенной энергии была получена путем умно-
жения средней величины использования падающей энергии на коэффициент 2,5.
Выше мы указывали, что более высокие скорости восстановления
СО2 являются, повидимому, наиболее соответствующими действитель-
ности (мы подразумеваем здесь величины порядка 20—25 мг СО2
на 100 см? в 1 час в обычном воздухе и 30—40 мг-—в атмосфере,
Световой фактор. Интенсивность	433
обогащенной двукосью углерода, а не те очень высокие выходы,
которые были найдены Благовещенским и Мёнхом). Мы предполагаем
поэтому, что в табл. 46 результатам Пуриевича и Бозе нужно отдать
предпочтение по сравнению с результатами Брауна и Эскомба. Однако
эта проблема в целом требует еще нового и более точного экспери-
ментального анализа, который мог бы связать скорость фотосинтеза
в природных условиях (сильное освещение и ограниченное снабжение
двуокисью углерода) с гораздо более изученными скоростями на сла-
бом свету и в присутствии достаточного количества СО2.
Теперь мы обратимся к продолжительным экспериментам, в кото-
рых общий выход фотосинтеза группы растений за длительный период
вегетации сравнивался с интегралом инсоляции за тот же период.
Ноддак и Комор [109] изучали два травяных участка: один пло-
щадью 9 м2 и другой — 74 м2. Они измеряли полное солнечное из-
лучение, j* Idt, падавшее на эти участки за два последовательных
периода в 20 дней каждый; после этого трава собиралась, сушилась
и сжигалась и определялась теплота сжигания, Д/7С. Были получены
следующие результаты: полное излучение за 20 дней — 2,6 • 103 кал)см2
(средняя интенсивность излучения 0,0015 кал1см2 • сек, или прибли-
зительно 6 000 лк); энергия, запасенная в сене, в процентах от падаю-
щей энергии, ДЯе / J Idt, первый участок — 0,67°/о (первый период)
и 0,80°/о (второй период), второй участок — 0,41 и 0,64°/о.
При этих экспериментах рост корневой системы не принимался
во внимание. Соответствующую поправку трудно определить, но она
должна повысить среднюю величину M1JIdt почти до 1°/0 и
e^ = A//c/JAdtj приблизительно до 2,5°/0.
Сравнивая эти результаты с результатами, полученными при кратко-
временных экспериментах (приведенными в табл. 47), следует пом-
нить, что некоторые факторы явно способствуют уменьшению средней
величины превращения энергии за длительный промежуток времени
большими группами растений в естественных условиях по сравнению
со средней величиной для немногих изолированных растений или
листьев, находящихся несколько часов при полном солнечном осве-
щении. В то же время имеется ряд других менее определенных
факторов, действующих в обратном направлении. К благоприятным
факторам относятся: более низкая средняя интенсивность света (умень-
шающая J Idt без заметного уменьшения скорости фотосинтеза) и,
возможно, частичная задержка выдыхаемых газов в густой листве,
позволяющая повторно использовать выделенную двуокись углерода.
Что касается неблагоприятных факторов, то можно предвидеть, что
в больших группах организмов некоторые экземпляры окажутся не
вполне здоровыми, ряд других будет находиться в состоянии «от-
дыха»; иногда температура будет слишком низкой для максимального
28 Зак. 4040. Е. Рабинович
434
Г ла» a XXVlIt
фотосинтеза, иногда она будет настолько высока, что вызовет пода-
вление фотосинтеза (см. гл. XXXI). Некоторые листья, по крайней
мере часть дня, будут находиться в тени своих соседей. Эти небла-
гоприятные влияния, повидимому, преобладают, так как средние вы-
ходы, измеренные Ноддаком и Комором, в 2—3 раза меньше, чем
наиболее надежные средние данные, полученные при кратковременных
экспериментах (см. табл. 47).
Измерения Ноддака и Комора являются единственными проведен-
ными в большом масштабе параллельными измерениями интенсивности
освещения и продукции органического вещества растениями. Нет,
однако, недостатка в приблизительных вычислениях, часто гораздо
ббльшего масштаба, основанных на агрономической и метеорологиче-
ской статистике. О них мы упоминали в гл. I (т. I), где они были
использованы для оценки общей продукции органического синтеза на
земле. Теперь рассмотрим эти вычисления несколько подробнее. Пют-
тер [21] взял данные об инсоляции из наблюдений яркости дневного
света, выполненных Вебером в Киле (Германия) за период в несколько
лет, и использовал соотношение 1 лк = 6;3 эрг j см? для вычисления
соответствующего энергетического потока. Он вычислил, что общая
световая иррадиация за год равна 35,3 ккал! см?, что соответствует
средней интенсивности освещения около 7 000 лк.
Для вычисления теплоты сжигания синтезированного органического
вещества Пюттер использовал данные об «исключительно высоких»
урожаях, взятые из сельскохозяйственных ежегодников; затем он
добавил вычисленную приблизительно теплоту сжигания корней и
стерни и вычел теплоту сжигания семян. Этим способом он получил
величину Д%; для вычисления J* Idt он суммировал данные Вебера
по урожаю за несколько периодов вегетации и вычел энергию инфра-
красного излучения (А > 1 и.). Было бы более целесообразным вычесть
все излучение А > 0,7 ц, так как участок спектра от 700 до 1 000 жи.,
очевидно, совсем не используется для фотосинтеза (см. гл. XXX).
Табл. 48 показывает некоторые из результатов Пюттера. Цифры
последней колонки представляют собой данные об использовании
энергии, скорректированные на потери при дыхании. Последние оцени-
ваются в 15% увеличения веса, обусловленного фотосинтезом за
период вегетации.
Среднее использование падающей энергии, отнесенное к излуче-
нию А < 1 pi, по данным табл. 48, составляет 3,3%. Это соответ-
ствует 2,3% всей падающей световой энергии и примерно 6% погло-
щенного света А < 700 мр. Таким образом, средняя величина из
данных Пюттера в 2—3 раза выше экспериментально полученных
цифр Ноддака и Комора и приблизительно равна средней из самых
высоких результатов кратковременных опытов Пуриевича. Пюттер
приписал свои сравнительно высокие данные благоприятным условиям,
имеющимся при полевых опытах большого масштаба, в особенности
Световой, фактор. Интенсивность
435
Таблица 48-
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ ПОЛЕВЫМИ КУЛЬТУРАМИ
(по Пюттеру [21])
Культура	Вся иррадиа- ция < 1р. за время вегетации, J I dt ккал^м*	ЬНС, ккалрлС	дну f rat. %	дну j / at, скорректиро- вано на дыхание, %
Яровая пшеница ....	22,2	0,63	2,8	3,3
Яровая рожь 		20,9	0,47	2,3	2,6
Яровой ячмень ....	12,3	0,39	3,2	3,7
Овес		21,8	0,63	2,9	3,3
Картофель 		25,0	0,65	2,6	3.0
Свекла 		30,0	0,55	1,8	2,1
Клевер 		13,6	0,62	4,6	5,2
снабжению двуокисью углерода из почвы. Однако кажется более вероят-
ным, что полученные им данные об использовании энергии завышены.
Ошибка приблизительно в 1,5 раза возможна уже из-за того, что
Пюттер употреблял слишком малый множитель при перечислении
люксов на единицы энергии (в гл. XXV нами было указано, что на
солнечном свету 1 лк соответствует приблизительно 10 эрг>см1 • сек,
Пюттер же употреблял множитель 6,3). Другая ошибка, влияющая
в том же направлении, могла возникнуть из-за сравнения единичных
урожаев со средними данными инсоляции.
Спёр [44], проведший вычисления таким же способом, как Пют-
тер, но принимавший во внимание урожай только зерна при полевых
культурах и используемые материалы при исследовании лесных мас-
сивов, получил гораздо более низкие величины использования энер-
гии, например 0,13°/0 всей падающей радиации для поля пшеницы
и О,35°/о— для леса быстро растущих эвкалиптовых деревьев. Подоб-
ные же цифры были получены для лесных пород Бойсен-Йенсеном [72].
Целью этих вычислений было определение с практической точки
зрения роли растений как преобразователей солнечной энергии; по-
этому стебли, оболочки и корни пшеницы и листья и корни деревьев
совершенно не принимались во внимание. Впрочем, даже в том случае,
если бы они входили в расчет, это вряд ли увеличило бы вычислен-
ные выходы больше чем в 2 раза. Выходы оказались бы при этом
сравнимыми с результатами Ноддака и Комора, но ни в коем случае
не достигли бы гораздо более высоких цифр Пюттера. Исходя из
вышеприведенного, с наибольшей вероятностью можно считать, что
В среднем за летний вегетационный период в умеренных климатиче-
28*
436
Глава XXVIII
ских условиях зерновыми культурами и лесными породами исполь-
зуется 1% всей падающей солнечной энергии, или около 2,5%
поглощенного видимого излучения. Средний квантовый выход фото-
синтеза в этих условиях будет порядка 0,01 (1 молекула СО2 вос-
станавливается 100 поглощенными квантами видимого света).
Анализ данных по продукции морского планктона (см. т. I, табл. 2)
привел Рилея [126] к заключению, что средняя величина использо-
вания световой энергии, падающей на поверхность моря, составляет
0,6—0,8% * — цифры, близкие к средней величине использования света
растениями полей и лесов. Однако в океане жизнедеятельность расти-
тельных организмов протекает более или менее равномерно в течение
всего года. За исключением части арктических морей, покрытых
льдом, в океане не имеется больших бесплодных районов, которые
можно было бы сравнить с пустынями или ледниками, расположенными
на суше. В силу обоих этих обстоятельств океаны являются главными
производителями органического вещества на земле (см. т. I, табл. 4).
В гл. I (см. т. I, стр. 23) мы вычислили общую продукцию орга-
нического вещества на земле, принимая, что среднее использование
видимого излучения, поглощенного растениями, составляет 2% (что
соответствует 0,8% всей падающей световой энергии). Теперь, после
анализа данных, на основании которых произведено это вычисление,
можно считать его достаточно надежным; порядок величины остается
неизменным даже в том случае, если приведенные цифры отличаются
от истинных в 2 раза.
Интерпретация световых кривых фотосинтеза
Влияние неравномерности светового поглощения. Влияние не-
равномерности освещения и поступления реагентов, участвующих
в процессе фотосинтеза, обсуждалось в общих чертах в гл. XXVI.
В гл. XXVII при обсуждении кривых зависимости скорости фото-
синтеза от концентрации двуокиси углерода мы отметили, что на
ход этих кривых сильно влияет градиент концентрации, который
создается, в особенности при интенсивном фотосинтезе, между внеш-
ней средой и слоем, непосредственно прилегающим к поверхности
хлоропластов. Подобным же образом соотношение между величиной
светового поглощения и выходом фотосинтеза может быть предста-
влено на световых кривых в сильно искаженном виде вследствие
того, что между сильно освещенными и затененными молекулами
хлорофилла часто может существовать значительный градиент свето-
вой интенсивности. Даже в пределах единичного хлоропласта погло-
щение света на освещенной стороне может быть в 5—10 раз больше,
чем на затененной; если же освещение является диффузным, то погло-
* Ланская и Сивков [148] дали гораздо более высокие цифры, а именно
З-140/о.
Световой фактор. Интенсивность
437
щение на поверхности отличается таким же образом от поглощения
в центре хлоропласта. В суспензиях, содержащих миллионы клеток,
так же как и в листьях и слоевищах, неоднородность поглощения
света усиливается взаимным затенением многочисленных хлоропластов
(см. фиг. 136). Вследствие этого световые кривые различных образ-
цов одного и того же вида организма, даже если эти образцы со-
держат одинаковые количества всех необходимых пигментов и ката-
лизаторов и исследуются в одинаковых внешних условиях, могут,
тем не менее, отличаться по виду из-за различия в оптической плот-
ности, которая Зависит от числа клеток на 1 см2 в суспензии водо-
рослей или от толщины листа или слоевища. Предположение об
одинаковом содержании катализаторов может быть само по себе
неправильным; например, клетки губчатой паренхимы могут быть
адаптированы к более слабому свету и, следовательно, содержать
меньше определенных катализаторов, чем листья палисадной ткани.
Рассмотрим теперь в качестве простейшего примера две суспензии
одинаковых клеток: одну оптически тонкую (например, пропускаю-
щую 80% падающего света) и другую оптически плотную (например,
поглощающую 80% падающего света). Если не учитывать упомяну-
того в гл. XXV явления самоотравления продуктами метаболизма, то
нет основания думать, что эти суспензии должны отличаться по
максимальному квантовому выходу при низкой интенсивности света
или по максимальному выходу на молекулу хлорофилла при сильном
освещении. Однако переход линейно поднимающегося участка к гори-
зонтальной части световых кривых будет более резким в оптически
тонкой системе, где насыщение происходит более или менее одно-
временно для всех клеток, и более постепенным в оптически плотной
системе, где оно прежде всего наступает на поверхности и затем
распространяется внутрь суспензии с увеличением интенсивности осве-
щения.
Фиг. 191 качественно иллюстрирует ожидаемую разницу во взаим-
ном расположении кривых зависимости абсолютной скорости фото-
синтеза, Р, и относительного насыщения, Р/Р***0, от интенсивности
падающего светового потока, /, и поглощенной энергии, 1а.
Если скорость фотосинтеза, Р, откладывается на графике как
функция интенсивности падающего света, / (последняя в качестве
независимой переменной; кривые графика А), то начальный наклон
кривых изменяется пропорционально оптической плотности, а протя-
женность линейного участка должна быть практически независимой
от плотности, так как кривая концентрированной суспензии должна
начать изгибаться, как только начнется насыщение в поверхностном
слое. Если Р откладывается как функция поглощенной энергии,
1а (кривые графика Б), то начальный наклон должен быть одинаковым
для всех кривых, но линейный участок у разбавленной суспензии
должен быть короче, чем у концентрированной. С другой стороны, если
мы нанесем относительное насыщение, Р/Р^*0, как функцию I или 1а
438
Глава XXVIII
(кривые графиков В и Г), то кривые разбавленной суспензии оста-
нутся прямыми значительно дольше и линейный участок гораздо
ближе подойдет к моменту полного насыщения.
В качестве примера на фиг. 192 приведены полученные Эйхго-
фом [117] кривые светового насыщения, Pj PiVise = f (/), для двух су-
спензий Chlorella различной концентрации (см. табл. 36). Их форма
Фиг. 191. Влияние оптической плотности клеточной суспензии на вид свето-
вых кривых. Толстые и тонкие стрелки показывают .линейный участок*
кривых концентрированной и разбавленной суспензии, у — угол, который
определяет максимальный квантовый выход.
А. Фотосинтез в зависимости от интенсивности падающего света. Б. Фотосинтез в зависимости
от интенсивности поглощенного света. В. Фотосинтез в долях максимального фотосинтеза в зави-
симости от ннтенсивнссти падающего света. Г. Фотосинтез в долях максимального фотосинтеза
в зависимости ст интенсивности поглощенного света. 7 — концентрированная суспензия; /7—раз-
бавленная суспензия.
/?Конц — дыхание концентрированной суспензии, /?ра3б —дыхание разбавленной суспензии.
и взаимное расположение согласуются с прототипом, приведенным на
фиг. 191 (кривая графика В). Катц, Вассинк и Доррештейн [131]
сделали попытку аналитически привести световые кривые, полученные
для трех суспензий бактерий {Chromatium D) различной концентра-
ции, к одной кривой, показывающей средний выход на клетку
как функцию средней интенсивности освещения. В абсорбционном
сосуде глубиной 2 см концентрированная суспензия с концентрацией
в 30 единиц Тромсдорфа на 1 мл (концентрация 3) поглощала около
Световой фактор. Интенсивность
439
80% падающего света натриевой лампы; средняя суспензия (концен-
трация 1; 10 единиц Тромсдорфа) — около 60% и разбавленная су-
спензия (концентрация %; 3% единицы) — около 30%. Фиг. 193, Л,
показывает полученные на опыте световые кривые для этих суспензий,
P=f(I). Относительное положение опытных кривых согласуется
с предусмотренным на фиг. 191, А (за исключением начального сигмо-
образного отрезка, который характе-
рен для световых кривых пурпурных
бактерий).
При интенсивности света, близкой
к нулю, кривые располагаются в об-
ратном порядке. Возможная причина
этого заключается в том, что при
данной интенсивности падающего
света среднее освещение будет наи-
меньшим в самой концентрирован-
ной суспензии; поэтому недостаточ-
ность в потреблении водорода (кото-
рая, по нашему мнению, обусловли-
вает сигмообразную форму кривых)
поддерживается в концентрированной
суспензии до более высоких интен-
сивностей освещения, чем в разбав-
ленной, и это, повидимому, с избыт-
ком компенсирует влияние более
сильного поглощения.
На фиг. 193,5, приводятся те
же самые кривые, но перечислен-
ные так, что они показывают выход
на единичную клетку. Наиболее
концентрированная суспензия пока-
зывает теперь наименьшую произ-
водительность. Однако все три
кривые приближаются, повидимому
(как и предполагалось), к одному
при высокой интенсивности света; i
Фиг. 192. Световые кривые раз-
бавленной и концентрированной
суспензии Chlorella при использо-
вании красного света X = 650 лгр.
[117]. 1 Я/С=940 эрг^см2 • сек.
/—концентрированная суспензия; II—раз-
бавленная суспензия.
тому же предельному выходу
им образом, эти кривые, если
не считать их сигмообразной формы, относятся к тому же типу, что
и кривые, представленные на фиг. 191, В (хотя там по оси ординат
отложено р/ртаке, н0 благодаря тому, что Рмакс пропорционально
числу клеток, рурмакс должно быть пропорционально выходу на
1 клетку). Наконец, на фиг. 193, В, показаны выходы на клетку
как функция средней интенсивности освещения по всему сосуду (на
фиг. 193, Л и Б, абсциссой служила интенсивность падающего света,
измеренная у передней стенки сосуда). Соответствующий пересчет
был сделан путем умножения абсцисс на отношение а : с, где с —
концентрация, а — процент поглощения (для концентрированной
440
Глава XXVIII
суспензии 0,8 : 3 = 0,27; для средней 0,6 : 1 — 0,6 и для разбавленной
0,3 : 0,3 = 1). В результате пересчета кривые для с = 0,3 и с — 1
почти полностью совпадают, но для с = 3 последняя точка кривой
все же показывает значительное отклонение.
Интенсивность света, 104зрг/смг сек
Фиг. 193. Влияние концентрации клеток на световые кривые фотосинтеза.
Обозначения на графике Б и В те же, что на А.
Указанный метод пересчета нельзя считать полностью удовлетво-
рительным по двум совершенно очевидным причинам. Прежде всего,
использование средней величины само по себе не является вполне пра-
вильным, так как клетки не подвергаются воздействию света «сред-
ней» интенсивности. Фактически некоторые из них освещаются более
сильным, другие более слабым светом. Это не имело бы значения,
Световой фактор. Интенсивность
441
если бы выходы были пропорциональны интенсивности; но если выходы
уменьшаются с увеличением интенсивности (как это имеет место
в районе насыщения), то из всех выходов, соответствующих данной
средней интенсивности, окажется ниже тот, который получен при
наибольшем разбросе фактических интенсивностей, т. е. в более кон-
центрированных суспензиях.
Второе осложнение возникает из-за перемешивания жидкости
в реакционном сосуде, в результате которого клетки подвергаются
действию света переменной интенсивности. Влияние этого фактора
является сложным. Оно принадлежит к группе явлений (индукция,
фотосинтез в меняющемся свете), которые будут обсуждаться
в гл. XXXIII и XXXIV. Только в том случае, если весь цикл коле-
баний освещения будет значительно короче, чем период времени,
требующийся для завершения всех темновых процессов фотосинтеза,
можно ожидать, что клетки будут работать при меняющемся свете
с такой же эффективностью, как и при постоянном освещении одина-
ковой средней интенсивности. Известно, что среди темновых реакций,
связанных с фотосинтезом, имеется, по крайней мере, одна с перио-
дом т, не превышающим 0,01 сек. при комнатной температуре; пере-
мешивание обычно не настолько интенсивно, чтобы заставить каждую
клетку пройти весь цикл изменения интенсивностей за 0,01 сек.
(см. гл. XXIX, стр. 541). Вследствие этого клетки освещаются
меняющимся светом со средней частотой изменений меньше 1/т. В то
время как частота изменений интенсивности одинакова для всех
трех суспензий, амплитуда их тем больше, чем концентрированнее
суспензия. Вследствие индукционных явлений наибольший выход при
данной средней интенсивности освещения получается при постоянном
свете; отсюда следует, что потери, вызываемые перерывами в осве-
щении, будут наиболее высокими у наиболее концентрированной су-
спензии. Таким образом, каждая из рассмотренных выше двух причин
может объяснить отклонение от среднего положения для последней
точки кривой с=3 на фиг. 193.
Полезно отметить, что изменения в освещении индивидуальных
клеток, вызываемые перемешиванием, могут быть прерывистыми. По-
глощение отдельным хлоропластом или отдельной клеткой (Chlorella)
настолько сильно, что клетка подвергается действию освещения зна-
чительной интенсивности только в том случае, если между ней и
источником света совсем нет других клеток или имеется лишь не-
большое их количество (1 или 2). Светорассеяние в суспензиях имеет
тенденцию сглаживать эту прерывистость.
Что касается неравномерности в поглощении света, то две су-
спензии с одинаковым числом клеток на 1 см2, но с различной
концентрацией хлорофилла ведут себя так же, как две суспензии
идентичных клеток, но различной концентрации. Будут ли световые
кривые этих суспензий походить по форме на кривые фиг. 191,
зависит от содержания катализатора, лимитирующего скорость процесса
442
Глава XXVIII
на сильном свету. Для случая, изображенного на фиг. 191, можно
принять, что содержание катализатора пропорционально содержанию
хлорофилла (другими словами, ассимиляционные числа могут счи-
таться одинаковыми), так как две суспензии отличаются только по
количеству, а не качеству клеток. Если, однако, изменения в опти-
ческой плотности обусловливаются колебаниями концентрации пигмента
внутри клеток, ассимиляционное число не обязательно представляет
собой константу. Этот вопрос будет разбираться в гл. XXXII. Из
трех случаев, о которых шла речь выше (тенелюбивые и светолюби-
вые растения, см. фиг. 187—189; зеленые и желтые разновидности
и нормальные и хлоротичные растения), только последний характе-
ризуется приблизительным постоянством ассимиляционных чисел и,
таким образом, приводит к световым кривым, подобным тем, которые
изображены на фиг. 191. Другими словами, только в этом случае
внутриклеточное содержание катализатора, лимитирующего скорость
фотосинтеза, изменяется пропорционально содержанию хлорофилла.
Общая форма световых кривых. Все кинетические интерпрета-
ции сходятся на том, что начальный, почти линейный участок свето-
вых кривых соответствует состоянию, в котором первичный фото-
химический процесс протекает настолько медленно, что катализаторы,
участвующие в нефотохимической стадии, могут снабжать требую-
щимся для реакции субстратом и подвергать дальнейшему превра-
щению образующееся промежуточное соединение без того, чтобы
чувствовался недостаток первого или происходило накопление второго.
Только световые кривые пурпурных бактерий обычно имеют началь-
ный участок сигмообразной формы; возможная причина этого обсуж-
далась в предыдущей главе.
Для данной световой кривой квантовый выход фотосинтеза на
линейном участке является наиболее высоким. При сигмообразных
световых кривых наивысший квантовый выход соответствует той
точке, проходя через которую касательная к кривой проходит и через
начало координат.
Этот выход может быть равен числу всех поглощенных квантов,
если все поглощенные кванты фактически были использованы для
фотосинтеза. Его можно определить так же, как некоторую не под-
дающуюся дальнейшему уменьшению часть поглощенных квантов, поте-
рянную вследствие полной или частичной неактивности некоторого
числа клеток или части хлорофилла. Подобная неуменьшаемая потеря
энергии может быть следствием обратных реакций, если доля фото-
химических продуктов, которую они разрушают, не зависит от ско-
рости образования этих промежуточных соединений (см. данную главу,
стр. 470, и гл. XXIX, стр. 570).
Световые кривые начинают изгибаться, приближаясь к горизонтали,
когда скорость первичной фотохимической реакции перестает быть
достаточно малой по сравнению с максимально возможной скоростью
Световой фактор. Интенсивность
443
одного или нескольких нефотохимических процессов, связанных с фото-
синтезом. Как было показано в гл. XXVI, влияние лимитирующего
звена в цепной реакции обычно чувствуется задолго до того, как
скорость суммарной реакции достигнет максимума, к которому она
способна в данных условиях. Вследствие этого световые кривые
должны достигать момента насыщения асимптотически, а не внезапно
переламываться, достигая предела (даже если не учитывать влияния
неоднородности светового поглощения, которая еще более усиливает
постепенный характер насыщения). По той же причине максимальная
скорость процесса, достигаемая в светонасыщенном состоянии, часто
оказывается значительно ниже, чем «потолок», налагаемый лимити-
рующим процессом.
Что касается природы процессов, которые могут быть причиной
светового насыщения, то имеется альтернатива между предваритель-
ными и завершающими реакциями. Эти два типа реакций впервые
обсуждались Варбургом и Вильштеттером и Штолем. Все превращения,
происходящие при фотосинтезе, поскольку они касаются хлорофилла
и других катализаторов, должны быть циклическими. Поэтому вопрос
о том, имеет ли место данная реакция до или после первичного фото-
процесса, не всегда так легко разрешить, как это может показаться
на первый взгляд. Мы будем считать, что темновая реакция предше-
ствует фотохимической стадии, если ее задержка препятствует про-
теканию фотохимического процесса, а, следовательно, также и всех
последующих процессов, и что темновая реакция следует за первич-
ным фотохимическим процессом, если последний имеет место в любом
случае и влияние лимитирования скорости темновой реакции заклю-
чается только в накоплении первичных фотопродуктов. Опыт показы-
вает, что при фотосинтезе не происходит значительного накопления
окисленных промежуточных продуктов (это следует из того, что
выделение кислорода сразу прекращается после выключения освеще-
ния); поэтому мы должны принять, что первичные продукты окисления
(фотоперекиси) являются неустойчивыми; если они быстро не уда-
ляются или не стабилизируются химически при завершающем про-
цессе, они, повидимому, исчезают благодаря обратной реакции.
Поглощение двуокиси углерода может иногда продолжаться в тем-
ноте в течение около 20 сек. (см. т. I, стр. 215, а также гл. XXXVI).
Это может означать, что некоторые промежуточные продукты восста-
новления существуют на протяжении этого времени или что это время
требуется для рекарбоксилирования (возможно, что сам акцептор С0.2
является промежуточным продуктом восстановления двуокиси угле-
рода; см. гл. XXXVI).
Таким образом, два альтернативных механизма светового насыщения
могут быть истолкованы как голодание, которое вызывает замедление
первичного фотохимического механизма, и как «-закупоривание»,
которое задерживает освобождение первичных продуктов и прину-
ждает большинство из них вернуться к их первоначальной форме. Как
444
Глава XXVIП
было указано выше> установление различия между влиянием предше-
ствующей и завершающей темновых реакций становится еще более
трудным, если мы согласимся с предположением Франка о том, что
одна из завершающих реакций оказывает обратное действие на свето-
чувствительный комплекс и что ее замедление подобно замедлению
предварительных реакций влияет на состав этого комплекса. По
Франку, такой реакцией является превращение промежуточных про-
дуктов окисления, образующихся на свету, в свободный кислород, или
серу, или какой-либо другой конечный продукт окисления при бакте-
риальном фотосинтезе. Если эта реакция отстает от первичного фото-
химического процесса, то промежуточные продукты окисления (фото-
перекиси) накопляются в количествах, достаточных, чтобы окислить
z некоторые метаболиты. При этом образуется продукт с наркотиче-
скими свойствами, быть может, органическая кислота. Последняя
адсорбируется светочувствительным комплексом, что замедляет или
вовсе останавливает первичный фотохимический процесс.
Каждый отдельный нефотохимический процесс, обладающий огра-
ниченной максимальной скоростью, налагает свой собственный «пото-
лок» на суммарную реакцию фотосинтеза. Влияние такого «потолка»
чувствуется задолго до того момента, как он будет фактически до-
стигнут, поэтому скорость фотосинтеза на сильном свету в момент
насыщения может зависеть не от одного, а от нескольких лимити-
рующих процессов, особенно в связи с тем, что максимальные
производительности различных частей фотосинтетического аппарата
являются, повидимому, величинами одного порядка (как и следует
ожидать для хорошо налаженной каталитической системы).
При обсуждении кинетических кривых фотосинтеза в гл. XXVI
были описаны три типа семейств кривых P—f(F^, с F2 в качестве
параметра. Эти три типа были обозначены, как первый («тип Блэк-
мана»), второй («тип Бозе») и третий типы (см. фиг. 133—135).
Вспомним, что кривые первого типа должны появиться в том случае,
если параметр F2 определяет максимальную скорость отдельного про-
цесса, который не зависит от независимой переменной В этом слу-
чае процесс налагает горизонтальный «потолок» на кривую P=f(F^),
но не влияет на ее начальный наклон. В семействах кривых третьего
типа параметр влияет на начальный наклон световой кривой, но не
влияет на ее уровень при насыщении; этот тип кривых получается,
когда Л2 определяет скорость процесса, которая является также
функцией независимой переменной Fv В семействах кривых второго
типа параметр F2 влияет и на начальный наклон, и на уровень насы-
щения кривой. Кривые скорости фотосинтеза как функции концен- •
трации двуокиси углерода дают примеры всех трех типов в зависи-
мости от природы параметра. Так как большинство параметров не
оказывает влияния на скорость первичного фотохимического процесса
и поэтому не изменяет начального наклона световых кривых, то
/ семейства кривых P=f(J) принадлежат обычно к первому типу,
Световой, фактор. Интенсивность
445
т. е. различные кривые совпадают друг с другом при низких интен-
сивностях света, но расходятся при насыщении. Таково большинство
из семейств кривых, полученных при концентрации двуокиси угле-
рода в качестве параметра (см. фиг. 165, 166, 168, 170). Един-
ственное исключение представляют кривые Хардера для Fontinalis
(см. фиг. 167). К этому же типу относятся две световые кривые
для Chromatium с концентрацией тиосульфата в качестве параметра
(см. фиг. 171) и семейства кривых с температурой в качестве пара-
метра (см. фиг. 172—174).
Однако влияние ингибиторов не является определенным и многие
результаты противоречат друг другу. При попытке обобщения эмпи-
рических данных было выдвинуто предположение, что каталитические
яды влияют только на уровень кривых при насыщении, в результате
чего получаются семейства кривых первого типа, наркотики же пони-
жают начальный наклон, приводя к семействам кривых второго типа.
Однако необходимо отметить, что не все экспериментальные резуль-
таты подтверждают это правило.
Кривые для Chlorella в присутствии цианида, изображенные на
фиг. 175, 176, как и предполагалось, относятся к «типу Блэкмана»;
однако кривые, полученные в присутствии гидроксиламина, по наблю-
нениям Уэллера и Франка, являются кривыми «типа Бозе». Влияние
цианидов на диатомею Nltzschia (см. фиг. 180) оказалось различным:
явная депрессия наблюдалась при всех интенсивностях света между
2 и 30 • 103 эрг/см2 • сек, однако процент торможения увеличивался
при увеличении интенсивности света. Так, например, 0,003-процент-
ный KCN вызывал торможение на 35% при 2,4 • 103 эрг, на 45% —
при 13- 103 эрг и на 57% — при 27 • 103 эрг. Другие наблюдения
над подавлением фотосинтеза цианидами на слабом свету приводились
в т. I (стр. 318). Световые кривые для пурпурных бактерий при
ингибировании цианидом, по наблюдениям Вассинка и его сотрудни-
ков, относились к типу, напоминавшему «тип Бозе» («полу-Бозе»),
Под действием гидроксиламина бактерии давали кривые «типа Блэк-
мана», в противоположность результатам, полученным Уэллером и
Франком на Chlorella.
Световые кривые для Chlorella при ингибировании уретаном (по
данным Варбурга и Вассинка с его сотрудниками), повидимому, как пра-
вило, относятся ко второму типу; но третий тип также не полностью
исключен. Кривые «типа Бозе» были найдены также у ингибирован-
ной уретаном Nitzschia (см. фиг. 180), хотя в этом случае процент
ингибирования был не постоянным, а увеличивался с увеличением
интенсивности света. Кривые Вассинка, показывающие влияние уре-
тана на пурпурные бактерии (см. фиг. 181, Д), выявляют обратное
соотношение — депрессия более резко выражена при слабом, чем при
сильном освещении.
Влияние кислорода на фотосинтез Chlorella (см. фиг. 179, а также
т. I, стр. 337, фиг. 46) относится к «типу Бозе». То же имеет место
446
Глава XXVII!
и при действии сернокислой меди, тогда как влияние сернокислого
никеля относится к «типу Блэкмана» (см. фиг. 178). Кривые пурпур-
ных бактерий с pH в качестве параметра (см. фиг. 182) будут «типа
Бозе» с тиосульфатом и «типа Блэкмана» с водородом в качестве
восстановителя.
Теоретически легко понять, почему специфические каталитические
яды, такие, как цианиды, должны действовать только на уровень
кривой при насыщении и не влиять на начальный наклон световых
кривых: первый определяется скоростью темновой каталитической
реакции, второй — скоростью поступления световых квантов. Сле-
дует ожидать, что при постепенно усиливающемся отравлении инги-
бирование будет распространяться до все более низких интенсивностей
света. Если принять (как это сделано в т. I, стр. 316), что цианид
наиболее сильно ингибирует карбоксилирующий энзим, Е^, то наблю-
даемая разница в чувствительности различных видов растений к отра-
влению может быть приписана колебаниям в содержании этого энзима.
Некоторые растения могут содержать значительный резерв Е^ и по-
этому показывать эффект отравления только на сильном свету; в дру-
гих растениях концентрация Е^ достаточна только для того, чтобы
поддерживать фотосинтез в отсутствие цианида, и нужно очень малое
инактивирование, чтобы вызвать замедление процесса даже при умерен-
ном или слабом освещении. Однако даже и в этом случае процент
снижения фотосинтеза на слабом свету должен быть меньше, чем
при освещении с насыщающей интенсивностью, что и наблюдалось
в эксперименте с Nitzschia, отравленной цианидом (см. выше). Эта
гипотеза не может, видимо, объяснить одинаковое процентное умень-
шение фотосинтеза при всех интенсивностях света таким типичным
каталитическим ядом, как гидроксиламин (см. фиг. 176). Интерпре-
тация этого явления, предложенная Франком и его сотрудниками, была
описана в т. I (стр. 320).
То, что было сказано о действии каталитических ядов, должно
быть применимо также и к случаям недостатка субстратов реакции
(двуокись углерода в зеленых растениях, двуокись углерода и вос-
становители в бактериях). С уменьшением интенсивности света влия-
ние этого фактора также должно постепенно уменьшаться й наконец
полностью исчезать.
Влияние наркотиков на начальный наклон световых кривых можно
понять, если допустить, что эти соединения адсорбируются на хлоро-
филле (или хлоропластине) и препятствуют доступу реагентов или
катализаторов. Как следствие этого при состоянии частичного отра-
вления только те молекулы хлорофилла, которые свободны от адсор-
бированных веществ, способны к надлежащей утилизации поглощенных
световых квантов. Если верно то, что световое насыщение обусловлено
лимитированным количеством такого катализатора, как Ел. или Ев,
который кинетически не зависит от хлорофилла, то требуется спе-
циальное объяснение тому факту, что световые кривые, полученные
Световой фактор. Интенсивность
447
в присутствии уретана, относятся скорее ко второму, чем к третьему
типу, т. е. наркотики оказывают влияние также и на скорость фото-
синтеза при насыщении. Например, можно постулировать, что нарко-
тики адсорбируются молекулами Ел. или Ев так же, как молекулами
хлорофилла. С другой стороны, можно представить, что если бы
световые кривые наркотизированных растений были продолжены до
еще более высоких интенсивностей света, они в конце концов при-
близились бы к тому же уровню при насыщении, как и световые
кривые нормальных растений, т. е. они действительно оказались бы
скорее третьего, чем второго типа.
Третье объяснение, основанное на предположении, что определен-
ные молекулы катализатора «предназначаются» определенным моле-
кулам хлорофилла и становятся бесполезными, когда последние под-
вергаются действию наркотиков, будет обсуждено в гл. XXXII.
Следует принять во внимание еще одно явление. Несколько позже
в этой главе будет показано, что, повидимому, существует уровень
фотосинтеза при насыщении, который обусловлен тем, что хлорофил-
ловый комплекс во время фотосинтеза распределен между нормальной
светочувствительной и измененной (таутомерной или восстановленной)
формами. Последняя образуется как промежуточный продукт фото-
синтеза и требует некоторого времени для обратного превращения
в первоначальную светочувствительную форму. Существование этого
предела при насыщении может не проявляться в ненаркотизованных
растениях, потому что другой предел (обусловленный недостатком
завершающего процесс катализатора Ев) лежит ниже. Оба этих пре-
дела могут лежать не слишком далеко друг от друга; поэтому
в состоянии наркотизации, когда значительная часть хлорофилловых
комплексов закрыта наркотиком и, следовательно, неактивна, уро-
вень насыщения, обусловленный хлорофиллом, может лежать ниже,
чем предел, определяемый катализатором Ев. Вследствие этого фото-
синтез может ингибироваться наркотиками даже на сильном свету,
однако процент ингибирования будет при этом меньше, чем на сла-
бом свету. Этот вывод согласуется с данными Вассинка для пурпур-
ных бактерий и расходится с данными его опытов с диатомовыми
водорослями.
Влияние предварительных темновых реакции. В гл. XXVII
была сделана попытка вывести уравнения для функции P=/[CO2]
на основе различных гипотез о предварительных темновых реак-
циях на «восстановительной стороне» первичного фотохимического
процесса. При этом выводе влияние интенсивности света было
выражено (см. уравнение (27.6)) предположением, что скорость
фотосинтеза пропорциональна концентрации субстрата восстановления,
[АСО2], и что коэффициент пропорциональности, k*, есть функция
интенсивности света. Результирующие уравнения для Р были затем
применены для анализа углекислотных кривых при допущении, что
448
Глава XXVH1
значения параметра / (т. е. А*) являются постоянными. Те же самые
уравнения могут, однако, с тем же успехом служить для аналитиче-
ского выражения световых кривых, P=f(T), с [СО2] в качестве
параметра. В этом случае должно быть сделано особое предположе-
ние, касающееся отношения k* к I (например, можно постулировать,
что k*r пропорциональна 4 £* = А7; см. уравнение (28.13)). Наиболее
простым уравнением для Р в гл. XXVII было уравнение (27.8). Оно
было основано на предположении, что существует диссоциирующий
комплекс двуокись углерода — акцептор с неограниченной скоростью
образования, в связи с чем световые кривые линейны (по крайней
мере, если А* = А*/) и не показывают никаких эффектов насыщения.
Это, конечно, обусловлено допущением, сделанным при выводе урав-
нения (27.8), когда мы предположили, что равновесная концентрация
соединения АСО2 не нарушается даже интенсивным фотосинтезом.
Уравнение этих прямых будет иметь следующий вид (А* принята за не-
зависимую переменную):
Р = №гКа Ао [СО2])/(1 + Ка [СО2]).	(28.1)
Их наклон пропорционален [СО2] при низких концентрациях двуокиси
углерода и приближается к Некоторому максимуму при высоких кон-
центрациях:
(^/^)1ИВо = лАо-	<28-2)
Если предположить, что на стационарную концентрацию АСО2
оказывает влияние скорость потребления этого комплекса при фото-
синтезе (т. е. что образование АСО2 имеет не бесконечно большую
скорость), то световые кривые перестают быть прямыми линиями и
становятся гиперболами. Мы можем здесь воспользоваться уравне-
нием (27.16), которое описывает комбинированный эффект медленной
диффузии и медленного карбоксилирования, или уравнениями (27.21)
и (27.31), которые выражают эти два эффекта в отдельности. На
интенсивном свету гипербола P=f(k^ приближается к одному из двух
следующих уровней насыщения:
РмаЕ0 = nkd [СО21;	(28.3)
Рмак0 = nka А„ [СО2].	(28.4)
Уравнение (28.3) относится к тому случаю, когда лимитирующим
фактором является скорость диффузии, уравнение (28.4) — к тому
случаю, когда эту роль играет скорость карбоксилирования. Следует
отметить, что обе эти величины пропорциональны [СО2]; другими сло-
вами, это приближение не предусматривает «абсолютного насыщения»
одновременно относительно I и относительно [СО2].
450
Глава XXVIII
рода, бимолекулярная константа скорости карбоксилирования и имею-
щаяся в распоряжении концентрация энзима Ед. Аналогичные выводы
могут быть сделаны для лимитирующих факторов на «окислительном
конце» фотосинтеза, таких, как константа скорости диффузии восста-
новителей, константа скорости их предварительных превращений (на-
пример, присоединения водорода к акцептору) и недостаток энзимов,
катализирующих эти реакции (например, гидрогеназы).
Мы можем, например, считать скорость фотосинтеза пропорцио-
нальной концентрации первичного субстрата окисления, такого, как
гипотетическая «связанная вода» А'Н2О или, в более общем виде,
A'HR вместо концентрации первичного субстрата восстановления АСО2,
как мы делали до сих пор. Однако мы воздерживаемся от деталь-
ного обсуждения этих возможностей, потому что для зеленых расте-
ний еще не имеется положительного доказательства того, что темно-
вая реакция гидратации действительно необходима, чтобы сделать
воду доступной для фотохимического процесса. Даже если она и тре-
буется, то изобилие воды в клетках делает эту реакцию практически
мгновенной. Известно, что при фотосинтезе пурпурных бактерий про-
исходят предварительные превращения восстановителей, но еще не
имеется определенного доказательства, что эти превращения должны
рассматриваться как подготовительные реакции (т. е. реакции, обес-
печивающие фотохимический процесс субстратом окисления), а не как
завершающие реакции, удаляющие первичные продукты, образующиеся
при фотохимическом окислении воды (ко второй альтернативе скло-
няются Ван-Ниль, Таффрон и Франк; см. т. I, стр. 174). Обычно
в большинстве дискуссий по кинетике фотосинтеза довольно детально
рассматривают подготовительные процессы на «восстановительной сто-
роне» и в значительной мере пренебрегают аналогичными процессами
на «окислительной стороне» первичного фотохимического процесса.
Тем не менее следует помнить, что подобный подход не является
оправданным и объясняется исключительно нашей неспособностью
изучать судьбу воды перед ее окислением при фотосинтезе и недо-
статочным знанием начальных превращений водорода и других вос-
становителей, используемых бактериями.
Влияние процессов в светочувствительном комплексе. Оста-
вив в стороне эффекты гипотетических подготовительных реак-
ций на «окислительном конце», возвратимся к уравнению (27.6),
Р= nkr [АСО2], для более подробного рассмотрения его с точки зре-
ния вероятного механизма участия света в фотосинтезе. Как было
упомянуто выше, математические выводы в гл. XXVII в большей или
меньшей степени основывались на предположении, что kr пропорций-
нально интенсивности падающего света, /:
k* = k*I,
(28.13)
Световой фактор. Интенсивность
451
/
и, следовательно,
Р=я/г'|АС02]==л/г*/[АС0.2].	(28.14)
Следует сразу сделать одно замечание, ограничивающее практи-
ческую применимость аналитических выражений, выведенных в данном
разделе. Кинетические уравнения основываются на законе действующих
масс и предполагают гомогенность реагирующей системы. Интенсив-
ность света, 7, однако, неравномерна по всей толще листа или кле-
точной суспензии; она колеблется даже в пределах одной клетки или
отдельного хлоропласта. Об этом осложнении многократно упомина-
лось выше, и мы еще вернемся к этому в настоящей главе. Пока же
мы будем вести рассуждения так, как если бы поглощение света
являлось равномерным по всей рассматриваемой области. Это значит,
что наши уравнения будут строго верны только для оптически тон-
ких слоев. Поэтому в этих уравнениях под I следует понимать све-
товой поток, фактически достигающий хлорофиллового слоя, а не
световой поток, падающий на внешнюю поверхность системы. Эти два
потока пропорциональны друг другу, но коэффициент пропорциональ-
ности изменяется с изменением глубины, а также длины волны падаю-
щего света. Практически большинство, если не все, кинетические
измерения были сделаны не с оптически тонкими пигментными слоями,
а с листьями, слоевищами или суспензиями, поглощающими большую
часть (иногда до 100%) падающего света. Ниже мы рассмотрим,
насколько сильно изменяются кинетические соотношения, выведенные
для оптически тонких слоев, из-за интегрирования вдоль пути, про-
ходимого светом в системе, а также из-за неравномерности поглоще-
ния различных составных частей немонохроматического света. Вопрос
осложняется, кроме того, структурными эффектами, разобранными в
гл. XXII (рассеяние и «эффект проскока»). Еще одно осложнение
возникает при изучении клеточных суспензий, сильно перемешиваемых
во время измерений. Это перемешивание приводит к тому, что инди-
видуальные клетки более или менее периодически попадают в све-
товые поля различной интенсивности. Если бы перемешивание было
настолько интенсивным, что каждая клетка проходила бы все вари-
анты световых полей за время, достаточно короткое по сравнению
с «периодом Эмерсона—Арнольда» (около 10~2 сек. при комнатной
температуре; см. гл. XXXIV), то было бы возможно принимать во
внимание только среднее освещение и считать его одинаковым для
всех клеток. Другими словами, поглощение света каждой клеткой
могло бы считаться равным общему поглощению всей суспензии, де-
ленному на число имеющихся в ней клеток. Никакое перемешивание,
однако, не может подействовать на содержимое хлоропластов, поэтому
молекулы хлорофилла, расположенные глубже, всегда будут получать
меньше света, чем молекулы, находящиеся на освещенной поверхности.
Еще более важным является то обстоятельство, что степень переме-
шивания обычно совершенно недостаточна, чтобы узаконить расчет
29*
452
Г л ал a XXVIII
средней интенсивности даже для целых клеток, так как технически
трудно достичь необходимой быстроты перемешивания. Поэтому вряд
ли Варбург и Бёрк имеют право претендовать на то, что в их экспе-
риментах (см. стр. 541) перемешивание было достаточно эффективным,
чтобы можно было считаться только со средней, интенсивностью освеще-
ния. Опасность индукционных потерь обусловлена тем, что отдельная
клетка между двумя экспозициями на полном свету в поверхност-
ном слое часто пребывает глубоко в суспензии достаточно долго для
того, чтобы в последующем освещении могли возникнуть эти потери
(см. гл. XXIX, XXX и XXXIV).
Эти качественные соображения показывают, что для получения
световых кривых фотосинтеза, наиболее подходящих для кинетиче-
ской интерпретации, лучше всего воспользоваться оптически тонкими
суспензиями или тканями. Предел в этом направлении ставится, однако,
тем фактом, что даже отдельные хлоропласты могут поглощать до
5О°/о падающего света в максимума^ поглощения хлорофилла (см.
фиг. 83). Поэтому разбавление суспензий водорослей до поглощения,
значительно более низкого, чем указанная величина (или употребление
слабозеленых тканей, например зеленой кожицы лука), может при-
вести только к тому, что часть падающего света пройдет между
хлоропластами, а неравномерность поглощения внутри пластид полно-
стью сохранится. Равномерность поглощения может быть повышена
только при употреблении клеток, бедных пигментами (хлоротические
клетки), или при применении света, который сравнительно слабо по-
глощается хлорофиллом (например, зеленый свет).
Таким образом, мы отдаем себе отчет, что ряд уравнений свето-
вых кривых, которые будут ниже выведены из альтернативных кине-
тических моделей фотосинтеза, могут быть только с большими ого-
ворками употреблены для сравнения с экспериментальными кривыми,
имеющимися в литературе. Тем не менее мы считаем целесообразным
применять подобные уравнения, так как это является шагом вперед
по пути к количественному изучению проблемы. Такого рода изуче-
ние потребует как углубленной теоретической разработки ряда во-
просов (включая эффекты неоднородности структуры и светового
поглощения), так и, прежде всего, точных кинетических эксперимен-
тов с оптически тонкими объектами.
При анализе обоснованности уравнений (28.13) и (28.14) следует
рассматривать две альтернативные схемы. Согласно одной, поддер-
живаемой Франком и Герцфельдом, соединение АСО2 является частью
собственно светочувствительного комплекса, и его восстановление
можно рассматривать как первичный фотохимический процесс, на-
пример:
кч*-
АСО2 • СЫ • А?Н2О^АНСО2 • СЫ • А'НО. (28.15)
* Или 2кч, если принимается, что один квант используется для переноса
водородного атома от Д'Н2О к СЫ, а другой — для переноса того же само-
Световой фактор. Интенсивность
453
При рассмотрении этого варианта нет необходимости принимать
также комплексный механизм Франка и Герцфельда, который вклю-
чает в себя восемь последовательных фотохимических ступеней; по
существу, к тем же самым заключениям можно прийти, рассматривая
единственную фотохимическую ступень, такую, как в реакции (28.15),
и оставляя завершение процесса нефотохимическим реакциям: дисму-
тациям и сопряженным окислениям (окислениям—восстановлениям), опи-
санным в гл. IX т. I.
Второй альтернативой, в пользу которой был приведен ряд аргу-
ментов в т. I (стр. 171), будет допущение, что соединение АСО2
(и, может быть, также А'Н2О, хотя эти два предположения не совпа-
дают) кинетически независимо от хлорофилла; его восстановление
будет тогда вторичным процессом — темновой реакцией, производи-
мой продуктами первичной фотохимической реакции.
Анализ является более простым, если выбирается первая альтер-
натива. Если мы примем, что акцептор А есть часть хлорофиллового
комплекса и что он присоединяет или теряет двуокись углерода, сам
не отделяясь от этого комплекса (а следовательно, Ао = СЫ0 и
[АСО2] СЫ0), то тогда все кванты, поглощенные молекулами хлоро-
филла, несущими АСО2, должны оказаться эффективными (поскольку
дело идет о первичном фотохимическом процессе), а все кванты, по-
глощенные хлорофиллом, несущим «пустые» молекулы А, — потерян-
ными. Как следует из уравнения (28.14), скорость восстановления
АСО2 будет тогда й*/[АСО2]. &*/[Chl] представляет собой скорость
поглощения квантов хлорофиллом на свету с интенсивностью I, если
принять, что поглощающая способность хлорофилла не изменяется
при его соединении с АСО2 или А. Это уравнение уже было исполь-
зовано в гл. XXVII (см. уравнения (27.58)—(27.66)).
Если соединение АСО2 кинетически независимо от светочувстви-
тельного комплекса, концентрация АСО2 не может быть лимитиро-
вана СЫ0. Уравнение (28.14), повидимому, указывает, что квантовый
выход фотосинтеза у = Р/1а (1а — поглощенная световая энергия) может
бесконечно увеличиваться с увеличением [АСО2]. По крайней мере,
это должно быть так, если допустить, как обычно, что 1а пропорцио-
нально /, Ia — al, откуда
у —PIIa = ank* [кСО2].	(28.16)
Конечно, определенный предел увеличению f кладется тем, что ве-
личина АСО2 должна быть меньше или равна общему числу имею-
щихся налицо молекул акцептора. Однако нет оснований считать, что
этот предел не может быть выше, чем максимальный выход, возмож-
ный по закону эквивалентности Эйнштейна. Поэтому должно суще-
го атома от Chi к АСО2. В уравнении (28.15) принимается также, что водо-
родным донором служит «связанная вода» А'Н2О и что подобно водород-
ному акцептору АСО2 этот донор прочно связан с СЫ.
454
Глава XXVIII
ствовать лимитирование, которое совершенно независимо от ограничен-
ного количества акцептора двуокиси углерода, А. Такое лимитирование
может возникнуть, если k* в уравнении (28.14) превратится в функ-
цию [АСО2] (вследствие чего произведение k* • АСО2 никогда не пре-
высит определенного максимального значения) или если 1а перестанет
быть пропорциональной /, т. е. если k* в уравнении (28.14) превра-
тится в функцию Р.
Первый случай является обычным при фотохимических процессах
in vitro, где вторичная фотохимическая реакция конкурируют с де-
зактивацией возбужденных молекул (последняя может происходить
путем флуоресценции, диссипации энергии внутри активированной мо-
лекулы или путем перехода энергии к другим молекулам). Конку-
ренция между бимолекулярной фотохимической реакцией (константа
скорости, &г) и одной или несколькими мономолекулярными реакциями
дезактивации (комбинированная константа, k'} ведет к уравнению
выхода (уравнение Штерна—Фольмера)
T = MS]/(*' + MS]),	(28.17)
согласно которому квантовый выход, у, не увеличивается бесконечно
с концентрацией реагирующего вещества, [S], а приближается при
к максимальному значению (для первичного процесса)
1мако==1.	(28.18)
Этот максимальный квантовый выход не зависит от интенсивности
света /.
Если принять, что реагентом S будет АСО2, и сравнить уравнения
(28.17) и (28.16), то в этом случае получается
ank* = krl(k' + fcr[ACO2J),	(28.19)
т. е. k* действительно является функцией концентрации реагента,
уменьшающейся с увеличением [АСО2] таким образом, что произве-
дение а&*я[АСО2] может приблизиться к единице, но никогда не
превысит ее.
В своих схемах фотосинтеза (см., например, ниже, фиг. 194 и
195) мы действительно предполагаем существование конкуренции
между вторичной фотохимической реакцией (28.20 6) или (28.216)
и мономолекулярной дезактивацией (28.20 а'), но под последней мы
понимаем не потерю энергии посредством флуоресценции или путем
немедленной диссипации энергии в комплексе, поглощающем свет,
а более медленные обратные реакции, следующие за первичной тауто-
меризацией. Фотохимически измененные формы хлорофиллового ком-
плекса, НХ • Chi • Z (или НХ • Chi • HZ), играют роль долго жи-
вущего активированного состояния, о котором шла речь в т. I (стр. 488).
Световой, фактор. Интенсивность
455
Это изменяет порядок величины константы дезактивации, k', от
>107 или 108 сект" (величина, обратная времени жизни электронного
возбужденного состояния у молекул, сильно поглощающих свет) до
гораздо меньшего значения, может быть 102 сек-1; но формально
соотношение (28.17) остается действительным до тех пор, пока
обратная реакция следует законам мономолекулярных реакций.
Возможность того, что активированный комплекс дезактивируется
прежде, чем встретит молекулу, с которой он должен реагировать
(будь это АСО2 или А'Н2О), создает новый источник зависимости
скорости фотосинтеза от концентрации АСОа (или [A'H.jOl).
Теперь мы рассмотрим упомянутый выше второй случай—нару-
шение на сильном свету пропорциональности между интенсивностью
освещения и поглощением. Это осложнение не часто встречается в
«обычной» фотохимии, где константа скорости процесса, в результате
которого возбужденная молекула возвращается в нормальное состояние,
по крайней мере в миллион раз больше, чем константа скорости
поглощения света, даже на. самом сильном свету (порядок величины
максимальной частоты поглощения: 10 сект1, см. гл. XXV; порядок
величины константы скорости дезактивации посредством флуорес-
ценции или диссипации энергии: ^>107 сект'). На самом сильном
свету (в пределах интенсивности, пригодной для фотосинтеза) фото-
стационарная концентрация активированных молекул перестает быть
незначительной по сравнению с концентрацией нормальных молекул,
если время жизни активированной формы превышает 10~2 сек. (когда
частота поглощения света такова, что каждую 0,1 сек. происходит
один акт поглощения, а время жизни активированного состояния равно
0,01 сек., стационарная концентрация активированных молекул
равна 10%). Если мы примем такое же время жизни для активиро-
ванного состояния хлорофиллового комплекса, то при сильном фото-
синтезе значительная часть этого комплекса будет находиться в изме-
ненном состоянии, что приведет к потере полной пропорциональности
между «полезным» поглощением света, 1а, и интенсивностью падаю-
щего света, I (под «полезным» поглощением понимается поглощение
света хлорофилловым комплексом, находящимся в неизменной форме;
предполагается, что если измененная форма и поглощает свет, то это
поглощение фотохимически «бесполезно»). Таким образом, добавляется
еще одна причина, вызывающая зависимость выхода от интенсивности
света.
Мы хотим проанализировать эти два явления: конкуренцию де-
таутомеризующей обратной реакции в светочувствительном комплексе
с прямой фотохимической реакцией и истощение нормальной формы
этого комплекса во время интенсивного фотосинтеза, используя два
простых механизма процесса и предполагая, что в прямой фотохими-
ческой реакции участвуют таутомеризованный хлорофилловый ком-
плекс, НХ • СЫ • Z, и либо комплекс двуокись углерода — акцептор,
АСО2 (механизм (28.20)), либо водородный донор, A'HR, где HR
456
Глава XXVill
означает воду или другой «заменяющий» восстановитель (механизм
(28.21)):
X . Chi • HZ НХ • Chi • Z; (28.20а и а’)
НХ  СЫ • Z + АСОа —X • Chi • Z 4- АНСОа;	(28.206)
X • Chi • Z 4- A'HR-^-> X • Chi • HZ 4- A'R;	(28.20e)
AHCOa 4- A'R	ACOa 4- A'HR.	(28.20г)
Этот механизм фотосинтеза схематически представлен на фиг. 194.
Ниже будут приведены основания для предположения о наличии
С02
XGhlHZ
Н20 (или HR)
+А
(Ед)
к
(28,20а)
к'
(28,20а')
АС02
АНС02
(fB)
А + {СН2О}
HX-ChlZ
X-Chl-HZ
XChlZ
А'Н20 (или A'HR)
А'НО (илиА'и)
(28,20г)
(Ео)
А'+02(илиА'+К)
А + С02	+ Н20

Фиг. 194. Фотосинтез, согласно уравнению (28.20а — г).
вторичной обратной реакции (28.20г). Если мы примем (см. выше), что
Л0[А'НаО] kr | АСОа|, то у зеленых растений (но, вероятно, не
у пурпурных бактерий) можно пренебречь концентрацией окисленной
формы, [X • Chi • Z], по сравнению с концентрацией таутомерной
Световой фактор. Интенсивность
457
формы, [НХ • Chi • ZJ. Последняя форма будет тогда единственной,
накопление которой может повлиять на фотосинтез зеленых растений
на сильном свету.
Легко убедиться, что если реакция Z с водой протекает гораздо
быстрее, чем реакция НХ с двуокисью углерода, то последователь-
ность вторичных реакций (28.206) и (28.20в) должна быть обратной,
С02
*А (Ея)
АСОг
X-Chl-HZ
к* к'
(28,21а) (28,21а')
Н20 (или HR)
+ А'
HXChl-Z	А'Н,0 (или A’HR)
I _________________!
\)С(28,216)
1
HX Chl -HZ А НО (или A'R)
АНСО,
(Ы L
А + {СНгО|
X-ChlHZ
Фиг. 195. Фотосинтез, согласно уравнению (28.21а — г).
А + Ог(илиА'+ R)
в результате чего получается следующий механизм (см. схему на
фиг. 195):
X • Chi • HZ НХ • Chi • Z; (28.21a и a')
HX • Chi • Z-f-A'HR-^->HX . Chi • HZ-|-A'R;	(28.216)
HX • Chi • HZ4-ACO2-^->X • Chi • HZ + AHCO2; (28.21e)
k'
AHCOa+A'R—-»ACOa-|-A'HR.	(28.21г)
458
Глава XXVHI
В этом случае основной формой, в которой хлорофилловый комплекс
накопляется во время интенсивного фотосинтеза, будет восстановлен-
ная форма, НХ • Chi • HZ.
Ранее мы избрали в качестве исходного пункта для наших рас-
суждений уравнение (27.6), а не подобное уравнение для реакции
фотоактивированного комплекса с окислителем А'Н.2О. Поэтому те-
перь нас прежде всего интересует возможная взаимозависимость А*
и [АСО2], обусловленная первичной обратной реакцией. Вследствие
этого механизм (28.20) более подходит для нашей цели, чем меха-
низм (28.21), так как в (28.20) первичная обратная реакция (28.20а')
конкурирует прямо с восстановлением АСО2.
При обсуждении результатов первичной обратной реакции, на
основании механизма (28.20), мы не будем считаться со вторым из
вышеупомянутых явлений — накоплением таутомеризованного хлоро-
филлового комплекса на сильном свету. Таким образом, мы вводим
новое основание для углекислотного насыщения, но не для светового
насыщения. Позже мы используем механизм (28.21) для рассмотрения
второго явления (накопления НХ • СЫ • HZ на сильном свету с после-
дующим световым насыщением), не считаясь, в свою очередь, с пер-
вичной обратной реакцией.
Если предположить, что [НХ • СЫ • Z]<^ [X • СЫ • HZ], то условия
становятся внешне аналогичными тем, которые преобладают в «обыч-
ной» фотохимии in vitro.
Из реакций (28.20а) — (28.20в) для фотостационарной концентра-
ции [НХ • СЫ • Z] получается уравнение типа Штерна — Фольмера:
[НХ • СЫ • Z] = A*/[X • СЫ • HZ]/(A'-|-Ar[ACO2])«
да А*/СЫ0/(й'4-А!г [АСО21),	(28.22)
и отсюда:
Р = пМ*ЛАСО2] СЫ0/(£'4-МАСО2])	(28.23)
(как и ожидалось, получилось уравнение, сходное с уравнением (28.1)).
Сравнение с уравнением (27.6) показывает, что А*, будучи пропор-
циональной I, действительно является также функцией [АСО2]:
/ir = krk*I. СЫ0/(£'4-МАСО2[).	(28.24)
Если [АСО2] бесконечно увеличивается, то Р приближается к макси-
мальной скорости:
Рмакс = «А*/СЫ0 = п/аСЫ0,	(28.25)
которая соответствует максимальному квантовому выходу п. Подобно
выходу, определяемому уравнением (28.18), п не зависит от интен-
сивности света.
Уравнение (28.23) показывает, что обратные реакции в фотосин-
тетическом комплексе могут объяснить увеличение выхода с увели-
чением [СО2] и заключительное углекислотное насыщение, наблюдав-
Световой фактор. Интенсивность
459
мое даже в том случае, если акцептор А имеется в неограниченном
количестве (например, если [АСО2] зависит от растворенной СО2,
количество которой можно увеличивать практически бесконечно, под-
нимая парциальное давление над системой). Другими словами,
уравнение (28.23) показывает, каким образом можно объяснить ги-
перболическую форму углекислотных кривых только ограниченным
поступлением световых квантов, не прибегая к предположению о не-
достатке акцептора СО2, о медленной диффузии или медленном кар-
боксилировании.
Влияние концентрации двуокиси углерода, конечно, может быть
учтено наряду с влиянием ограниченного поступления световых кван-
тов введением в уравнение (28.23) соответствующего выражения
для [АСО2]. Используя для этой цели «статическое» уравнение (27.3),
т. е. принимая во внимание только лимитированное количество акцеп-
тора двуокиси углерода, мы не приходим к световому насыщению;
последнее появляется, если применить для [АСО2] одно из «кинети-
ческих» выражений, учитывающих ограниченные скорости процесса
поступления СО2 (диффузия СО2, карбоксилирование). Абсолютное
насыщение Рмако будет иметь место, если предположить существова-
ние максимальной скорости поступления СОа, которая не зависит
от [СО2], например вследствие недостатка карбоксилирующего ката-
лизатора £л-
Рассмотрим теперь второе явление, для которого нет параллели
в обычной фотохимии и которое является результатом большой дли-
тельности жизни активированного состояния светочувствительного
комплекса; оно заключается в накоплении комплексов в измененной
форме и, как следствие этого, — в отсутствии пропорциональности
между интенсивностью падающего света, Г, и интенсивностью фото-
химически активного поглощенного света, 1а.
Мы используем для этой цели механизм (28.21), так как практи-
ческая мгновенность реакции (28.216), принятая нами в качестве
постулата, дает нам некоторое право не считаться в этом случае
с первичной обратной реакцией (28.21а), т. е. принять, что
й0[А'Н2О] k'. Стационарная концентрация восстановленной формы,
[НХ • СЫ • HZ], при этих условиях будет равна
[НХ • СЫ • HZ] = Л*/СЫ0/(Л*/4-Лг [АСО2]),	(28.26)
откуда видно, что в отсутствие АСО2 все хлорофилловые комплексы
на свету должны перейти в восстановленную форму, НХ • СЫ • HZ.
Скорость фотосинтеза выражается
Р = л*г[НХ • СЫ • HZ][ACO21 = яЛгСЫ0й*/[АСО2]/(Л*7-|- kr [АСО2[).
(28.27)
Принимая, что комплекс АСО2 находится в равновесии со свобод-
ной двуокисью углерода и что не имеется никакого градиента диф-
460
Глава XXVIII
фузии, т. е. что [СО2] = [СО2]а, получаем
Р = nk£h\Qk*Ik0Ka [CO2]/(ft*Z—/Са[СО2] ft*/-f-ftrA0/<a [СО2]).
(28.28)
Это уравнение для скорости фотосинтеза при тех условиях, когда
ни предварительные, ни завершающие темновые реакции ни на «вос-
становительной стороне», ни на «окислительной стороне» не оказы-
вают лимитирующего влияния на скорость процесса. Световое насы-
щение в этом случае вызывается целиком недостатком акцептора,
Ао, а углекислотное насыщение — недостатком хлорофилла, Chl0.
Световые кривые, определяемые уравнением (28.28), являются ги-
перболами
РКР™°—^ = ft*/(l+Ka[CO2])/ftrA0/<alCOa]. (28.29)
Интенсивность света половинного насыщения выражается
= krA0Ka [COa]/(ft* Н- k*Ka [СОа]).	(28.30)
Экстраполируя до [С02] = оо, получаем:
= Мо/**-	(28.31)
Если равновесие карбоксилирования на свету не поддерживается,
то вместо уравнения (28.30) мы имеем более общую форму
1/t/=ftr[ACOa]/ft*.	(28.31а)
При сравнении уравнений (28.31а) и (28.26) можно заметить, что
половинное насыщение светом соответствует равномерному распреде-
лению хлорофилла между формами X • Chi • HZ и НХ • Chi • HZ:
[НХ • Chi • HZ] = Chlc/2 = [X • Chi • HZ]. (28.32)
Если принять, что реакция (28.21а) имеет квантовый выход, равный
единице, то константа ft* должна быть равной частоте световых по-
глощений единичной молекулой хлорофилла. Вспомним, что /—ин-
тенсивность света, фактически достигающая рассматриваемого объ-
ема, и что поглощение света внутри этого объема предполагается
настолько малым, что оно практически является одинаковым по всему
объему. При этих условиях имеем
ft* = а 1п 10 • 103 = 2,3 • 103а (лоль/сл2), (28.33)
где а — средний молярный коэффициент поглощения для падающего
света. В этом уравнении подразумевается, что / измеряется числом
эйнштейн, падающих за 1 сек. на 1 см2, и концентрация ChJ0 выра-
жается в молях на 1 л. Согласно данным, приведенным в гл. XXV
для белого света, 1 лк 1,4 - 1012 квантов!см2 • сек ==2,3 • 10-12 эйн-
штейн!см2 • сек. Мы, следовательно, имеем уравнение
ft* = 5,3 • 10-®а (моль! см2),	(28.34)
Световой фактор. Интенсивность
461
которое применимо, когда I выражается в люксах (метр-свечах).
Средний коэффициент поглощения хлорофилла для видимого света —
величина порядка 104; это дает k* • 10-5, или один фотохимиче-
ский акт в 1 сек. на 1 молекулу хлорофилла на свету 20 000 лк.
Опытные данные показывают, что у/»—величина порядка 5 • 10я лк
(см. табл. 41); принимая &*«=;5.10_б и Аог=а 5 • 10-2 моль/л (при-
близительная концентрация хлорофилла в пластидах; см. т. I, стр. 414),
получаем для kr значение 5. Когда и [СО2], и I весьма велики, ско-
рость фотосинтеза, согласно уравнению (28.28), приближается к «аб-
солютному потолку»:
PZc = «*rChl0A()( = «**Chl0y,/0O),	(28.35)
который представляет собой максимально возможную скорость реак-
ции (28.21в), достигаемую, когда весь хлорофилл находится в форме
НХ • Chi • HZ и весь акцептор занят двуокисью углерода.
При низких интенсивностях света и обильном снабжении дву-
окисью углерода световые кривые, определяемые уравнением (28.28),
асимптотически приближаются к лимитирующей прямой:
Р/™ = лА;*СЫ(/.	(28.35а)
Если отбросить упрощающее предположение о том, что акцептор
двуокиси углерода находится в равновесии с внешней СО2 даже во
время интенсивного фотосинтеза, то можно ввести в уравнение (28.27)
более общее выражение (27.15) для [АСО2] вместо уравнения равно-
весия (27.3). Однако результирующие уравнения, учитывающие эф-
фекты ограничений в снабжении СО2, наряду с лимитированием, обу-
словленным освещением, были бы слишком громоздки для практи-
ческого использования.
Возникает вопрос, предусматривает ли уравнение (28.35) доста-
точное объяснение для «абсолютного насыщения» фотосинтеза, т. е.
для максимальных выходов, рассмотренных в разделе «Абсолютная
максимальная скорость». Мы можем получить из уравнения (28.35)
следующее приблизительное определение максимального возможного
выхода фотосинтеза на 1 молекулу хлорофилла в 1 сек.:
Рмакс/СЫ0 = л&гА0( = nfeyjco) « 0,025	(28.36)
или для времени ассимиляции, Тд:
ТА = СНо//С^4О сек.	(28.36а)
Полученные на опыте величины времени ассимиляции (см. табл. 45)
фактически находятся в пределах от 10 до 100 сек. (за исключением
заметно меньших величин, найденных для желтых разновидностей).
Создается впечатление, что хлорофилл может быть тем компонентом
фотосинтетического аппарата, медленная скорость восстановления
которого налагает «абсолютный потолок» на скорость фотосинтеза.
462
Г ла a a XXVIII
Однако это разрешение проблемы абсолютного насыщения не является
единственно подходящим,, так как в опытах с прерывистым светом
было обнаружено существование «завершающего» катализатора («ка-
тализатор В» Франка), который, повидимому, присутствует в количе-
ствах, эквивалентных приблизительно 0,0005 количества хлорофилла,
и имеет «рабочее время» порядка 0,02 сек. при комнатной темпера-
туре; «потолок», налагаемый этим катализатором, имеет тот же поря-
док величины, что и полученный по уравнению (28.36), так как
2- 103-2.10-2=1 -40.
Полезно показать, почему приблизительное совпадение вели-
чины (28.36) с экспериментальными результатами не является доста-
точно убедительным подтверждением правильности модели, использо-
ванной при выведении этого уравнения.
Ниже мы увидим, что в равнобочной гиперболе три параметра,
которые вообще определяют гиперболу (тангенс начального угла на-
клона, абсцисса, соответствующая половинному насыщению, и величина
ординаты при насыщении), не являются независимыми друг от друга,
а связаны уравнением (28.48В). Выше нами были использованы экспе-
риментально полученные приблизительные величины для двух из этих
параметров (ияа0,1 и 104 лк) в уравнении (28.28), которое
представляет равнобочную гиперболу (см. уравнение (28.29); урав-
нение в скобках в (28.36) есть специальный случай для (28.48В)),
для того, чтобы получить приблизительно правильное значение третьего
параметра, Рмакс. Результат показывает только то, что световые кри-
вые (по крайней мере, лимитирующие световые кривые при высо-
кой [СО2]) действительно приближаются к равнобочной гиперболе.
Любой кинетический механизм, который приводит к световым кривым,
приближающимся к равнобочной гиперболе, позволяет провести точ-
ное определение третьего параметра по величине двух других, полу-
ченных из опыта.
В гл. XXXII мы покажем, что главной реакцией, лимитирующей
скорость фотосинтеза, является темновая реакция, управляемая
катализатором Ев, присутствующим в клетках в концентрации,
равной 0,05% концентрации хлорофилла. Мы увидим также (стр. 471),
что этот тип лимитирования приводит к световым кривым, которые
хотя и являются гиперболами, но гиперболами неравнобочными.
Остается выяснить, могут ли определения световых кривых прово-
диться с точностью, достаточной для того, чтобы исключить один из
двух механизмов.
Возможно, что в фотосинтезе существуют два или больше «узких
места», каждое из которых допускает прохождение приблизительно
одинаковых количеств реагентов. В одном случае максимальная ско-
рость прохождения через «узкое место» определяется произведением
концентрации СЫ0, приблизительно такой же концентрации Ао, би-
молекулярной константы реакции (28.21e), kr, и квантового выхода
п (0,052.5 . о,1 = 1,25 . IO-3).
Световой фактор. Интенсивность	463
Максимальная скорость прохождения через другое «узкое место»
определяется произведением концентрации катализатора Е® на его
мономолекулярную константу скорости (2,5 • 10~б  50 = 1,25 • 10~8).
Такое совпадение, повидимому, не является неправдоподобным. Его
даже можно рассматривать как свидетельство замечательно экономного
распределения катализаторов в клетке (зачем иметь данный катализа-
тор в большем количестве, чем то, которое может быть использовано,
если процесс лимитируется ограниченным содержанием другого ката-
лизатора?). Однако некоторые экспериментальные данные не согла-
суются с предположением, что регенерация хлорофилла после реакции
является «узким местом», которое лимитирует или принимает участие
в лимитировании максимальной скорости фотосинтеза. Эти данные
указывают, что молекуле хлорофилла, принимающей участие в пер-
вичном фотохимическом процессе, требуется гораздо меньше времени,
чем 40/г (sa4) сек., для возвращения в светочувствительное состояние.
Мы имеем в виду наблюдения Вильштеттера и Штоля (см. табл. 45,
а также гл. XXXII), обнаруживших, что желтые листья дают вели-
чины Рмкс только слегка меньшие, чем обычные зеленые листья, хотя
они содержат не больше */з (и даже меньше) нормального количества
хлорофилла. Это явно не согласуется с уравнением (28.35) и указы-
вает, что Рмако определяется не скоростью обратного превращения
фотохимически таутомеризованного хлорофиллового комплекса (кон-
станта скорости, kr, в уравнении (28.35), а скоростью каталитического
превращения какого-то субстрата (катализатор, например, Ев), которое
кинетически не зависит от хлорофилла. Вычисленная выше величина kr
(д^5 (сек • моль)^1) является поэтому только низшим пределом} коли-
чественные наблюдения над желтыми листьями указывают, что дей-
ствительная величина этой константы (которая определяет, как часто
данная молекула хлорофилла доступна для первичной фотохимической
реакции), по крайней мере, в 10 раз выше. Это дает kr > 50 сек~1
(для [АСО2] = 0,05 моль/'л), если предположить, что первичной фото-
химической реакцией будет (28.21в). Вследствие принципиального зна-
чения этих выводов было бы желательно получить новые эксперимен-
тальные данные о кинетике фотосинтеза в желтых листьях.
- Мы уже отмечали, что, согласно уравнению (28.32), половинное
световое насыщение фотосинтеза в присутствии избытка двуокиси
углерода должно иметь место, когда хлорофилл распределен в одина-
ковой пропорции между формами X • Chi • HZ и НХ • СЫ • HZ. Это
состояние должно также соответствовать точке, находящейся на поло-
вине пути перехода от получаемого при слабом возбуждающем свете
выхода флуоресценции (<pj к выходу, получаемому при сильном (<р2)
возбуждающем освещении (см. стр. 482). Некоторые авторы возра-
жают на это, что накопление во время интенсивного фотосинтеза
половины общего количества хлорофилла в измененной форме является
невероятным, так как никогда не наблюдалось никаких обратимых
464
Глава XXVIII
изменений в спектре поглощения сильно освещенных зеленых ра-
стений. Точная экспериментальная проверка этого последнего утвер-
ждения была бы очень желательна, но если бы даже оно под-
твердилось, это могло бы означать только то, что спектр хлоро-
филлового комплекса в форме, накапливающейся на сильном свету,
практически идентичен со спектром формы, имеющейся в тем-
ноте. Такое положение вполне возможно, так как разница в составе
этих форм, повидимому, зависит не от строения самой молекулы хлоро-
филла, а от связанных с ней водородных доноров и акцепторов.
Следует провести различие между этой гипотезой и тем предпо-
ложением, которое среди прочих исследователей поддерживают Франк
и Герцфельд, утверждая, что превращение X • СЫ . НХ в НХ • СЫ • Z
(или АСО2 • СЫ • A'HqO в АНСО2 • СЫ • А'НО, если применить схему
Франка) требует двух квантов, причем первый квант образует проме-
жуточное соединение X • СЫН • Z. Согласно этой схеме, когда фото-
синтез происходит наиболее эффективно, скорости поглощения света
хлорофиллами СЫН и СЫ должны быть одинаковы (потому что только
при этом условии все кванты могут быть использованы). Приняв это
предположение, мы должны постулировать близкое подобие спектров
соединений СЫ и СЫН. Это также не является невозможным, но пред-
ставляется более удивительным, чем спектроскопическое подобие
X • СЫ • HZ и НХ • Chi • HZ.
Если измененная форма хлорофиллового комплекса имеет зеленый
цвет, то возникает вопрос о фотохимическом действии света, погло-
щенного этой формой. Одна из возможностей заключается в том, что
кванты, поглощенные измененной формой, не производят вообще ника-
кого фотохимического действия, другая — в том, что они вызывают
фотохимические обратные реакции, например
или
НХ•СЫZ X•СЫ HZ
(28.37)
НХ • СЫ • HZ -f- А'НО —* НХ • СЫ • Z -|- А'Н2О.
Кинетические соображения показывают, что фотохимические обрат-
ные реакции сами по себе не вызвали бы светового насыщения,
а только уменьшили бы квантовый выход на одинаковый процент при
всех интенсивностях света. При построении одной из своих ранних
гипотез о механизме фотосинтеза Франк и Герцфельд [104] предпо-
ложили, что световое насыщение может быть вызвано фотохимически
индуцированными цепными обратными реакциями, но позднее [128]
они отказались от этой гипотезы, придя к заключению, что световое
насыщение обычно вызывается нефотохимическими обратными реак-
циями, конкурирующими с прямой темновой реакцией, катализируемой
катализатором В.
Влияние завершающих темновых реакций. Ряд наблюдений
говорит о том, что, кроме предварительных темновых реакций и
Световой фактор. Интенсивность
465
обратимых изменений в хлорофилловом комплексе, в качестве возмож-
ного источника явлений светового насыщения необходимо рассмотреть
также завершающие темновые реакции. Выше было упомянуто, что
эксперименты в мерцающем свете, которые будут подробно описаны
в гл. XXXIV, прямо указывают на существование «завершающего
катализатора» с «рабочим временем» порядка 10-2 сек. при комнат-
ной температуре. Максимальный выход, полученный за одну вспышку,
показывает, что этот катализатор присутствует в концентрации, экви-
валентной О,О5°/о концентрации хлорофилла. Поэтому, как было ука-
зано в предыдущем разделе, он налагает «потолок» на общую скорость
фотосинтеза. Этот «потолок» определяется тем, что на 1 молекулу
хлорофилла каждые 40 сек. может восстанавливаться 1 молекула СО2,
что близко к фактически наблюдаемой максимальной скорости фото-
синтеза при комнатной температуре. Второе наблюдение, имеющее
отношение к разбираемому вопросу, может быть сделано при сравне-
нии световых кривых фотосинтеза различных растений со световыми
кривыми их флуоресценции (см. ниже, раздел «Световые кривые
флуоресценции»). Если бы световое насыщение фотосинтеза было
обусловлено медленным течением реакции снабжения, т. е. истощением
одного из реагентов (АСО2 или А'Н2О) на интенсивном свету, или
медленной регенерацией светочувствительной формы хлорофиллового
комплекса, то в обоих случаях оно было бы связано с накоплением
светочувствительного комплекса в химически измененной форме
(НХ • Chi • Z или НХ • Chi • HZ) и должно было бы поэтому быть
связано с одновременными изменениями выхода флуоресценции этого
комплекса Однако процесс идет таким образом только в отдельных
случаях, но далеко не всегда. Фиг. 198, например, показывает свето-
вое насыщение фотосинтеза Chlorella без всяких изменений выхода
флуоресценции, и даже на фиг. 200 насыщение почти заканчивается
прежде, чем начинается изменение выхода флуоресценции. Во всех
таких случаях насыщение должно быть обусловлено отставанием за-
вершающей темновой реакции от первичного фотохимического про-
цесса. Это отставание не вызывает никаких изменений в составе
светочувствительного комплекса, но ведет к потере значительной части
первичных фотопродуктов путем обратных реакций.
Ранее указывалось, что различие между предварительными и за-
вершающими реакциями в теории Франка о «наркотическом регули-
ровании» фотосинтеза проведено не вполне резко. Согласно этой
теории, накопление первичных продуктов окисления (фотоперекисей)
вовсе не ведет к обратным реакциям между этими перекисями и
первичными восстановленными продуктами (как принималось выше)
или ведет не только к этим реакциям, но также к окислению неко-
торых метаболитов (сахара?), что приводит к появлению «наркотика»
(жирная кислота?). Последний садится на хлорофилловый комплекс,
препятствует дальнейшему ускорению первичной фотохимической реак-
ции и вызывает сильное увеличение флуоресценции.
30 Зак. 4040. Е. Рабинович
466
Г лав а~, XXVIII
У пурпурных бактерий возможны два альтернативных объяснения
эффекта лимитирования скорости фотосинтеза и усиления флуоресцен-
ции, вызываемого ограниченным поступлением восстановителей (Н2,
H2S2O3 ...). С одной стороны, можно рассматривать снабжение вос-
становителями как предварительную реакцию, медленность которой
является причиной накопления измененной, более сильно флуоресциру-
ющей формы светочувствительного комплекса X • СЫ • Z; с другой,—
используя теорию Франка, можно считать это снабжение частью завер-
шающей реакции (удаление фотоперекисей) и объяснять его влияние
на флуоресценцию образованием «наркотиков» при помощи накопив-
шихся перекисей. В обоих случаях световая кривая фотосинтеза при
увеличении интенсивности освещения будет приближаться к пределу,
определяемому максимальной скоростью поступления восстановителя
(посредством диффузии или при помощи какого-нибудь предваритель-
ного энзиматического превращения).
Другой аргумент против гипотезы, объясняющей ассимиляционные
числа зеленых растений лимитирующим влиянием предварительных
реакций, происходящих, в частности, на «углекислотной стороне»,
был упомянут в гл. XII (т. I) в связи с описанием влияния на фото-
синтез цианидов. Там утверждалось, что разницу в количестве цианида,
требуемого для уменьшения на определенный процент скорости фото-
синтеза различных видов растений, наиболее легко понять, если при-
нять, что чувствительный к цианиду катализатор (который, по всей
вероятности, является карбоксилазой Ед) не лимитирует скорость про-
цесса на сильном свету в отсутствие яда и становится лимитирующим
только после того, как значительная часть его инактивируется. Если
в различных видах и родах растений соотношение Ед/Ев варьирует,
то не может быть одинаковой также и та часть Ед, которую
следует инактивировать, чтобы сделать лимитирующим этот ката-
лизатор.
Какие обратные реакции могут конкурировать с завершающими
каталитическими реакциями в процессе фотосинтеза? В предыдущем
разделе данной главы мы рассматривали первичную обратную реакцию
НХ • Chi • Z —>- X • Chi • HZ, которая может быть названа детауто-
меризацией хлорофиллового комплекса. В уравнениях (28.20) и (28.21)
эта реакция конкурирует с вторичной прямой фотохимической реак-
цией, например (28.206) или (28.216). Там же было отмечено, что
эта конкуренция может вызвать углекислотное, но не световое насы-
щение, потому что та доля квантов, которая теряется при подобных
обратных реакциях, не зависит от интенсивности света. Если рас-
сматривать (28.206) или (28.216) как каталитическую реакцию с ката-
лизатором, концентрация и рабочая скорость которого подобны выше-
упомянутому катализатору В, то мы получим световое насыщение,
но оно опять будет связано с накоплением формы X • Chi  Z или
НХ • Chi • HZ и, следовательно, с изменением в интенсивности флуо-
ресценции.
Световой фактор. Интенсивность
467
Чтобы объяснить насыщение, не сопровождаемое изменениями
интенсивности флуоресценции, лимитирующий катализатор следует
поместить не между одним из двух реагентов (АСО2 или А'Н2О) и
светочувствительным комплексом, а между первичными и конечными
продуктами фотосинтеза. Другими словами, обратные реакции, вызы-
ваемые недостатком катализатора, должны быть скорее вторичными,
чем первичными. Обратная реакция такого типа (г) была добавлена
в механизмы (28.20) и (28.21). Мы можем постулировать, например,
что реакция (28.20г) имеет место потому, что превращение первого
фотопродукта АНСО2 в более устойчивое промежуточное соединение
требует катализатора Ев (возможно, мутазы), который имеется в огра-
ниченном количестве. Подобный постулат можно сделать и в отноше-
нии действия катализатора Ес, который требуется для первой стадии
превращения А'НО в свободный кислород. Благодаря симметрии
между правой и левой сторонами в схемах на фиг. 194 и 195 огра-
ничение в использовании продуктов окисления будет иметь то же
влияние на кинетику процесса в целом, как и ограничение в исполь-
зовании продуктов восстановления. В первом случае вторичная обрат-
ная реакция будет ускоряться накоплением первичного окисленного
продукта, А'НО; во втором случае — накоплением первичного восста-
новленного продукта, АНСО2.
Используя реакции (28.20), можно предположить, что Ев действует
на первый восстановленный продукт, АНСО2, согласно уравнениям
АНСО2Н~Ев ЕвАНСО2;	(28.38а)
К
ЕвАНСО2 -Л. Ев Н- А -И НСО2},	(28.38tf)
где {НСО2} обозначает стабильный продукт восстановления. Если
реакция (28.386) является дисмутацией, она может потребовать уча-
стия двух радикалов АНСО2, но в данном случае мы хотим применить
наиболее простой из возможных механизмов.
Согласно этой схеме, скорость фотосинтеза будет
Р = nke [ЕвАНСО2]	(28.39)
и абсолютная максимальная скорость
=	(28.40)
„о
где Ев — общее количество лимитирующего катализатора, имеющееся
в распоряжении.
Принимая этот механизм, можно вывести уравнение для Р как
функции / и [СО2]; однако оно очень сложно даже в том случае,
если сделать все возможные упрощения, и поэтому выведение такого
уравнения принесет мало пользы.
30*
468
Глава XXVIII
Положение упрощается, если мы опять используем механизм Франка
и Герцфельда (т. I, фиг. 20), в котором окислитель АСО2 и восста-
новитель А'Н2О принадлежат к светочувствительному комплексу и
участвуют в первичном фотохимическом процессе, например так, как
указано в уравнении (28.15). В этом случае сама первичная обратная
реакция (детаутомеризация) становится конкурентом завершающим
темновым реакциям, и поэтому можно принять, что роль катализа-
тора Ев заключается в том, чтобы помешать этой реакции разрушить
фотопродукты. Эта точка зрения была использована Франком и Герц-
фельдом [104] при разработке и уточнении кинетических уравнений
фотосинтеза. Их вывод был усложнен предположением о наличии
четырех последовательных (различных) фотохимических стадий на
«восстановительной стороне» и альтернативных четырех (одинаковых)
фотохимических стадий на «окислительной стороне». Предполагалось,
что продукт каждой из этих стадий требует стабилизации тем же
катализатором В для предохранения от обратного превращения путем
темновой реакции. Не пытаясь представить здесь вывода Франка и
Герцфельда, мы используем более простой механизм, позволяющий
применить ту же основную концепцию о первичной обратной реакции
как причине светового насыщения. Этот механизм похож на приве-
денный в уравнении (7.13) в т. I, но более прост, благодаря замене
двух стадий (7.13а) и (7.136) на единственную первичную фотохими-
ческую стадию. Схема реакций будет следующей:
**(	Первичвые
ACO2-Chl« А'Н2О х > АНСО2 • Chi • А/НО прямая и обрат- (28.41а,и а')
*'	ная реакции
*
АНСО2 • СЫ • А НО + Ев —
—>ЕВНСО2 + А • СЫ • А'НО
к'
ЕвНСО2 -А Ев4-{НСО2}
Каталитическая (28.416)
стабилизация
продукта вос-
становления
(28.41S)
A-Chl-A'HO + HaO—> А-Chl-А'Н2О-|-{НО} 1	Новая (28.41г)
} «зарядка»
А • СЫ • А'Н2О СО2 —> АСО2 • Chi • А Н2О J хлорофилла (28.415)
Мы принимаем, что Ев требуется только для стабилизации восста-
новленного продукта, АНСО2, и что эта стабилизация достигается
в реакции (28.416) путем удаления восстановленной группы, НСО2,
из хлорофиллового комплекса, что препятствует обратной реакции
этой группы с окисленной группой, НО (мы не предполагаем, что
радикалы НСО2 или ОН находятся в свободном состоянии; эти сим-
волы могут означать соответствующие функциональные группы в боль-
ших молекулах, что обозначено при помощи фигурных скобок в урав-
нениях (28.41 в) и (28.41г)).
Чтобы еще больше упростить вывод и иметь дело только с эффек-
том, обусловленным обратной реакцией, мы принимаем, что реакции
Световой фактор. Интенсивность
469
(28.41г) и (28.410), при помощи которых светочувствительный ком-
плекс снабжается свежими окислителем и восстановителем, будут прак-
тически мгновенными. При этих условиях только два фактора могут
вызвать световое насыщение: накопление светочувствительного ком-
плекса в таутомерной форме, АНСО2 • Chi • А'НО, и накопление ката-
лизатора Ев в связанной форме, ЕВНСО2. Уравнение для Р, которое
учитывает эти два эффекта, является квадратным', одним из его дей-
ствительных решений будет:
{kek*ICh\0 + k'k'e^k'ek*I + k'ekeA
Р=1/я|-----------------------------------
г/kk*icwn-\-k'k’ + k'k*i+k'kF!L\2 , п .
—	—	BJ —fe'E0Bfe7Chl0 J [, (28.42)
где п, как и прежде, обозначает число элементарных фотохимических
ступеней в реакции (28.41а), требуемых для восстановления одной
молемулы двуокиси углерода.
Уравнение (28.42) соответствует гиперболической световой кривой
с начальным наклоном:
(dP[d!)0 = nke Е°в k* Chl0/(fe' + ke E°B).	(28.43)
Если k <^^вЕв (и, следовательно, обратные реакции не играют
важной роли на слабом свету), то получаем:
{dPjd!)0 = nk* Chl0.	(28.44)
Другими словами, на слабом свету все поглощенные световые кванты
используются для фотосинтеза с максимально возможным квантовым
выходом п. Если же k' не будет <^feeEB, то квантовый выход
останется < п, даже если его экстраполировать до нулевого освещения.
Максимальный абсолютный выход, достигаемый на сильном свету,
согласно уравнению (28.42), будет:
^c = n^Chlo^E°B/(^Chlo + fe')	(28.45)
(нижний индекс введен на основании предположения о том, что реак-
ция с двуокисью углерода является практически мгновенной). Если
fee'C^feeChl0, то уравнение (28.45) сокращается до
^ = nfe'E°B.	(28.46)
Это последнее представляет собой максимально возможную ско-
рость регенерации свободного катализатора Ев посредством реак-
ции (28.41в). Следует отметить, что если ke не <С^еСЫ0, то эта ско-
рость не достигается даже при насыщающей интенсивности света;
другими словами, катализатор Ев никогда не используется до макси-
мума его возможностей. В противоположном крайнем случае, когда
470
Глава XXVIII
&e^>Ae Chl0, величина фотосинтеза при насыщении становится рав-
ной
P*“' = ^eChl0ES,
(28.47)
т. е. лимитирующим фактором оказывается максимальная скорость реак-
ции (28.41/5), достигаемая при фотостационарном состоянии, когда
AC02-Chl-A'H20
(28,4/а) к*1 к' (28,41а)
АНС02-СЫ-А'Н0
(28,415) +Ев

I
EgHCO.
'2
A-ChlA'HO
К = оо
+н2о+со2
*е
ЕВ+{НСО}
(28/11г,д)
асо2-сыа'н2о
{но}
1
о,
{СН20}
Фиг. 196. Фотосинтез, согласно уравнению (28.41).
практически все хлорофилловые комплексы находятся в таутомерной
форме АНСО2 • СЫ • А'НО.
Последний вывод напоминает нам о том, что вариант Франка —
Герцфельда для механизма лимитирования фотосинтеза фактором Ев,
строго говоря, не может быть помещен под заголовком: «лимитиро-
вание завершающими темновыми реакциями», так как, по нашему
определению, завершающими реакциями являются такие, медленное
течение которых не влияет на состав светочувствительного комплекса
и, следовательно, на скорость первичного фотохимического процесса.
Совершенно ясно, почему реакция, катализируемая при помощи Ев
в схеме (28.41), не квалифицируется как завершающая. Основанием
для этого будет предположение о наличии стабильного соединения
субстрата этой реакции, {АНСО2}, с хлорофиллом. До тех пор пока
этот фотохимический продукт не прореагирует вновь с Ев, он задер-
живает возвращение хлорофиллового комплекса в светочувствительную
форму, АСО2 • СЫ • А'Н2О.
Световой фактор. Интенсивность
471
будет:
Полунасыщающая интенсивность света, согласно уравнению (28.42),
k'e{k' + keEl
^ + ^2^Chl0-
< + *eChl0 '
k\k'e + ke Chlo)
(28.474)

(следует вспомнить, что уравнение (28.42) было выведено на основа-
нии предположения о полном и мгновенном насыщении акцептора
двуокисью углерода, поэтому в уравнении (28.474) нет никакого
коэффициента, пропорционального [СО2]).
Гипербола, представляемая уравнением (28.42), не является равно-
бочной; поэтому она не может быть выражена уравнением в форме
^’/(/’макс—Р) — const • /. Степень отклонения этой гиперболы от
равнобочной гиперболы, с тем же самым начальным наклоном и зна-
чением насыщения, можно видеть при сравнении полунасыщающей
интенсивности, полученной из уравнения (28.474), с полунасыщающей
интенсивностью, выведенной из уравнений (28.43) и (28.45) при по-
мощи уравнения (28.485):
k’ (k' + kp Ев)
(28'47£)
Эти два выражения становятся идентичными, если йе^>йеСЫ0, и
тогда мы можем написать
у/ = (k' + ke EB)/fc*.	(28.475а)
Как указывалось раньше, это означает, что реакцией, служащей
«узким местом», является реакция (28.416), при наличии избытка
катализатора Ев. Согласно уравнению (28.47), это также означает,
что максимальный выход, PmSc> пропорционален Chl0; результаты
наблюдений над желтыми листьями, приведенные выше (стр. 463),
указывают, что это условие не соблюдается в природе. Обратное
соотношение, йеСЫ0^> ke, при котором подразумевается, что Ев
используется полностью и максимальная скорость (см. уравнение (28.46))
не зависит от концентрации хлорофилла, представляет собой,
повидимому, более вероятное приближение к естественным условиям.
Это неравенство сокращает уравнение (28.474) до
k'(k' + 1!	,
k?k Chi	(^CfeeChl0). (28.475)
rv •''Q v>114q
Кроме того, выше мы видели, что для использования практически
всех поглощенных световых квантов при низкой интенсивности света
k' должно быть ke Ев. Отсюда получаем приблизительные соот-
ношения:
k' -4- k En
2^Chl0 (*;c*echlo; k <CfceE°B) (28.475)
472
Глава XXVIII
{неравнобочная гипербола) и
Е°
(4>АвСЫ0;А<4вЕ’в)	(28.47Д)
{равнобочная гипербола).
Из этого следует, что гипербола (28.42) поднимается более круто
и достигает насыщения более внезапно, чем равнобочная гипербола
с теми же самыми параметрами п и Рмаке- Отклонение от формы
равнобочной гиперболы, и именно в указанном направлении, дей-
ствительно наблюдалось для многих экспериментальных световых
кривых (см. данные Брэкета и Смита в следующем разделе).
Выше было отмечено, что эмпирическое соотношение между пара-
метрами п, i/J и Риаке приблизительно такое, какое требуется для
равнобочной гиперболы. Однако вычисления, которые привели к этому
заключению, позволяли судить только о порядке величин', поэтому
необходимы более точные определения световых кривых, которые
могут показать, что отклонение от равнобочной гиперболы, выражаемое
множителем :/2 для значения, %/, соответствует действительности. Та-
кая точность, повидимому, достижима в настоящее время для кине-
тических измерений фотосинтеза, хотя упорные расхождения в значе-
ниях п порядка 5О°/о (см. гл. XXIX) указывают на трудность таких
измерений.
Возможно, конечно, вышеупомянутые отклонения связать с пред-
положением о медленности поступления двуокиси углерода (вследствие
медленной диффузии, медленного карбоксилирования или низкого
содержания катализатора Ед), другими словами, отказаться от пред-
положения, что уравнение (28.410) выражает мгновенную реакцию.
В этом случае необходимо принять во внимание накопление хлоро-
филлового комплекса также в форме, лишенной двуокиси углерода
А • СЫ • AzH2O. Подобные выкладки были действительно выполнены
Франком и Герцфельдом с использованием их восьмиквантового
механизма.
Следует отметить, что при механизме (28.41), так же как и при
других ранее рассмотренных механизмах, результат внешне не изме-
нился бы, если бы лимитирующий завершающий катализатор Ев пред-
назначался для стабилизации продукта окисления {НО} вместо про-
дукта восстановления {НСО2}, т. е. если бы этот катализатор тре-
бовался для проведения реакции (28.41г) вместо реакции (28.410).
Основание для предположения Франка и Герцфельда о том, что
катализатор Ев действует на все восемь промежуточных продуктов,
а не образует единственное «узкое место», например после четвертой
или седьмой фотохимической реакции, заключается в следующем.
Если принять существование восьми фотохимических реакций и только
одного «узкого места», то на сильном свету промежуточный продукт,
образовавшийся непосредственно перед «узким местом», будет нако-
Световой фактор. Интенсивность
473
пляться за счет всех других. При внезапном уменьшении интенсив-
ности света должно пройти некоторое время, пока распределение
промежуточных продуктов не станет равномерным. Но равномерное
распределение последних необходимо для получения максимального
квантового выхода, так как для этого требуется, чтобы все восемь
фотохимических реакций происходили с одинаковой частотой. Отсюда
следует, что мгновенное уменьшение интенсивности света от значения
насыщения до значений линейного участка должно вызвать падение
фотосинтеза до очень низкого уровня, с последующим постепенным
повышением до нормального уровня. Франк и Герцфельд считают
доказанным, что подобного эффекта на самом деле не имеется, и
это заставило их предположить, что все восемь промежуточных про-
дуктов в равной доле участвуют в обратных реакциях, т. е. катали-
затор Ев воздействует на все эти промежуточные продукты.
Однако Стиман-Нильсен [135, 147] описал эксперименты, в кото-
рых он на водорослях Fucus serratus [135] и Cladophora insignis [147]
действительно наблюдал индукционные потери при переходе от силь-
ного к более слабому свету (эти наблюдения будут рассмотрены
в гл. XXXIII в связи с индукционными явлениями). Правда, нет
никакой уверенности в том, что индукционные эффекты, обнаруженные
Стиман-Нильсеном, действительно вызваны неравномерным распреде-
лением промежуточных продуктов на сильном свету, а не другой
причиной. Слишком уж длинна была наблюдавшаяся продолжитель-
ность индукционного периода (до 30 мин.) для того, чтобы этот
индукционный эффект мог иметь подобное происхождение. Кажется
более вероятным, что эти индукционные потери связаны с «нарко-
тизацией» фотоокисления или с другим типом ингибирования или
частичного разрушения хлорофилла на сильном свету. Эти потери актив-
ного хлорофилла остаются незаметными, если общая скорость процесса
лимитируется катализатором, независимым от хлорофилла (Ев); вслед-
ствие этого на сильном свету, если даже не весь хлорофилл является
активным, активной его части может все же хватить, чтобы занять
весь Ев. Наоборот, при недостатке света поглощение его «наркотизи-
рованным» или другим способом ингибированным хлорофиллом должно
сказываться в пропорциональном уменьшении скорости фотосинтеза.
Совершенно ясно, что вопрос о распределении промежуточных
соединений становится излишним, если принять существование только
одной фотохимической реакции с последующими темновыми дисму-
тациями или сопряженными окислениями — восстановлениями. Другим
следствием предположения о 8-кратном повторении действия катали-
затора Ев будет вывод о том, что отношение Ев/СЫ0 должно быть
уменьшено с 1 : 2 000 до 1 : 25 (см. гл. XXXIV).
Наркотизация. Франк развивал идею (неоднократно упоминаемую
выше) о внутреннем регулировании фотосинтеза посредством «само-
наркотизации». По мнению Франка, эта наркотизация наступает
474
Глава XXVHI
всякий раз, когда избыток света, недостаток реагентов или присут-
ствие ядов ограничивает снабжение фотохимического аппарата нор-
мальным субстратом, вызывает опасность ненормальной работы этого
аппарата и разрушения ценных клеточных компонентов, в том числе
и самого фотосинтетического аппарата. Особенность защитного меха-
низма, в представлении Франка, состоит в образовании «полуокислен-
ного» метаболита, который адсорбируется хлорофиллом, покрывая
его целиком или частично, препятствуя проявлению его фотоактивности
и иногда усиливая его флуоресценцию. Мы выведем кинетические
уравнения для простого механизма этого типа, чтобы посмотреть,
может ли он привести к существенным изменениям формы световых
кривых фотосинтеза (и флуоресценции).
Мы рассматриваем следующий механизм:
X • Chi • HZ ±^-4. ХН • Chi • Z;
ХН • Chi • Z (+ {СО2}) —-> {НСО2} 4- X • СЫ • Z;
X • СЫ • Z (+ {Н2О}) —X • Chi • HZ + {ОН};
X • Chi • HZ (+ {СО2} + {Н2О}) —
{НСО2} + {ОН} -{-X • Chi • HZ; (28.47fa)
{ОН} + Е ЕОН;	(28.47Е6)
4
ЕОН -%• Е (+ О2);	(28.47Ев)
{ОН} + X • Chi • HZ (4- Н2М)
—> X • Chi • HZ • НМ 4- Н2О (= {СЫ} 4- Н2О); (28.47Д?)
X • Chi • HZ • НМ (+ 1О2)±% X • Chi • HZ (+ М-|-уН2о); (28.47£<?)
где {СЫ} — сокращенное выражение для «наркотизированного хло-
рофилла», X • Chi • HZ • НМ.
Ради упрощения принимается, что компоненты, помещенные в скоб-
ках, имеются в избытке и реагируют практически мгновенно, поэтому
их концентрация не учитывается в кинетических уравнениях. Сумми-
рование первых трех уравнений дает выражение (28.47£а) для пер-
вичного фотохимического процесса. Далее предполагается, что про-
дукт восстановления, {НСО2}, удаляется практически мгновенно,
тогда как продукт окисления, {ОН}, должен подвергаться каталити-
ческому превращению реакции (28.47Д6) и (28.47£в), которое включает
реакцию, являющуюся «узким местом» и налагающую абсолютный
«потолок» (28.473) на суммарную скорость фотосинтеза.
Если реакция (28.47£а) протекает настолько быстро, что реак-
ции (28.47Е6) и (28.47£в) не успевают немедленно удалить продукты
Световой фактор. Интенсивность
475
окисления, то в действие вступает механизм «наркотизации» (урав-
нения (28.47£г) и (28.47Ед)): накопленный {ОН} реагирует с мета-
болитом, Н2М (предполагается, что этот метаболит имеется в клетках
в избытке) и окисляет его до «наркотика», НМ, который адсорби-
руется хлорофиллом и инактивирует его (предположительно, без
влияния на спектр поглощения, но с увеличением выхода флуоресцен-
ции). Наркотизация устраняется посредством реакции (2^А1Ед), кото-
рая завершает окисление полуокисленного продукта (при постоянной
концентрации кислорода эта реакция рассматривается как мономоле-
кулярная).
По этой схеме скорость фотосинтеза равна скорости лимитирую-
щей реакции (28.47Ев):
P = nfee[EOHl,	(28.477Я)
максимально возможная скорость будет:
РшГо = п*еЕ0	(28.473)
(нижний индекс определяется вышеприведенным предположением о пра-
ктически мгновенном присоединении двуокиси углерода).
Коэффициент п обозначает, как и раньше, число элементарных
фотохимических реакций типа (28.47Еа), которое требуется для
образования одной молекулы кислорода.
Мы вводим сокращение:
k k'
Ь =	(2% Al За)
кекп
Уравнение для скорости фотосинтеза может быть получено путем
определения фотостационарной концентрации [ЕОН| с последующим
применением уравнения (28.47уУ<). В результате получаем:
Р _ k*Ik С Ыо + kek Ео + k'n С Ыо
~п~~	2 (А — 1)
pfe’Vfe Ch!0 + kek Ео + k'n СЬЦг kek*Ik Chlfl Eo-|* л 7
[k 2(fe—1)	) k— 1 J •	’
Легко убедиться,' что это уравнение дает
Р = О, при 1=0, и рмако = nke Ео, при 1=сю.
Световые кривые, определяемые уравнением (28.47/7), являются
неравнобочными, гиперболами со следующим начальным наклоном:
/ dP \	__ ____________________nkPknk^____	(28 47/f)
kek E'o kn Chl0 kn (ke + kn Chl0)
и полунасыщающей интенсивностью
».^ + ') + 2<сы<,
3/г	ОЪ*Ь ГЫ„	1
476
Глава XXVIH
Являются ли световые кривые гиперболами? Следует отметить,
что все кинетические модели, использованные в данной главе, при-
водят к квадратным уравнениям для выражения скорости фотосинтеза
как функции интенсивности падающего света, I, или, другими словами,
к гиперболическим световым кривым, P==f (/).
Существование «потолка» скорости, обусловленного ограниченным
доступом какого-либо реагента или недостатком катализатора (в до-
бавление к «крыше»), налагаемой минимальным числом квантов,
необходимым для течения реакции)^ изменяет внешний вид световых
кривых, может превратить, например, равнобочную гиперболу в не-
равнобочную. Однако при всех разобранных до сих пор механизмах
гиперболичность кривой всегда сохраняется.
Гипербола определяется тремя параметрами. В принятой нами
системе изображения световых кривых ось абсцисс, /, параллельна
одной из асимптот гиперболы (уравнение последней будет Р = р*ж>),
тогда как ось ординат выбрана таким образом, чтобы при /=0
получить Р = 0. Удобной формой написания уравнения гиперболы при
такой системе координат будет
Р	2гР„1—2РРятв\
11—-----------( Рмакс н——--------------I.	(28.48Д)
•о рмакс____р \	•	рмакс	/	V	'
Тремя параметрами этого уравнения служат: у0—начальный наклон
кривой, который пропорционален максимальному квантовому выходу
фотосинтеза; у/—полунасыщающая интенсивность света; Р™^л— пре-
дельная скорость на сильном свету. Если второй из стоящих
в скобках членов приближается к нулю, то уравнение принимает сле-
дующий вид:
Р — То
)макс____р пмакс
I = const • I
(28.48 Б)
и представляет собой уравнение равнобочной гиперболы. Для того
чтобы исчез квадратный член в уравнении (28.48Д), должно иметь
место следующее соотношение между тремя параметрами:
рмакс
ъ>=—
х/э
(28.485)
Ряд уравнений, выведенных в гл. XXVII и XXVIII для световых
кривых фотосинтеза, таких, например, как (28.29), действительно
имеет упрощенную форму (28.485). Однако это не всегда имеет
место, в частности уравнение (28.42) не может быть представлено
в форме (28.485).
Так как у0 не так легко измерить, как два других параметра,
и так как, наоборот, у0 может быть определен из анализа световых
кривых (см. гл. XXIX, стр. 570), то вместо него может быть вы-
бран другой параметр, например — интенсивность света, при кото-
Световой фактор. Интенсивность
477
рой фотосинтез достигает l/t своего значения насыщения. Этот выбор
ведет к очень простому соотношению
рмако
Ъ=<Г7=7г	(28.480
/4 Va
и дает следующее уравнение световой кривой:
р Г	. 4Р	1
/=---------- 6(1J— 31//) ,	(28.48Д)
рмако р I	/2	• рмакс 2	/4 / I •	\	'“v
Для того чтобы гипербола (28.48Д) была равнобочной, она должна
удовлетворять следующему простому условию:
-/=3v/-	(28.485)
Уравнение тогда становится:	
	(28.48JV0
ИЛИ	
г «макс р —	—	.	(28.483)
В более общем виде гипербола может быть представлена в вы-
бранной нами системе координат, при использовании в качестве пара-
метров любых трех ее точек (Pj/f, Р24"> ^Ve)- Для равнобочной
гиперболы достаточно двух точек.
Эти выводы следует помнить при оценке работ, в которых не
удавалось выразить экспериментальные данные при помощи уравне-
ний типа (28.485), и поэтому считалось, что световые кривые не
являются гиперболами (см. Смит [101, ПО, 114]),
Мы уже подчеркивали, что все наши выводы уравнений световых
кривых основываются на предположении об однородном поглощении
света и вследствие этого являются полностью пригодными только для
оптически тонких слоев.
Возникает вопрос, насколько сильно изменяет форму световых
кривых значительная оптическая плотность большинства изучаемых
растительных объектов, например будут ли негиперболическими на-
блюдаемые интегральные световые кривые, если дифференциальные
световые кривые для каждого из тонких слоев, обладающих равно-
мерным поглощением, являются гиперболами? При монохроматическом
свете, коэффициент поглощения которого равен а, общий световой
поток, поглощенный слоем Z, будет*:
/а = /(1 —10-“[СЫ1г)	(28.48Я)
* Для простоты мы принимаем, что пигмент распределен равномерно
и рассеяние отсутствует.
478
Глава XXVIII
(при условии, что поглощающим пигментом служит хлорофилл).
Если квантовый выход суммарного процесса будет п и 1а выра-
жается в эйнштейнах на 1 ел2 в 1 сек., то общая скорость фото-
синтеза будет
Р = п1а = п!(1 — 10_“[СЫИ)	(28.48Я)
(молей СО2, восстановленных за 1 сек. на 1 см2 освещенной по-
верхности).
При немонохроматическом освещении первая часть этого соотно-
шения остается без изменения, но 1а должна быть выражена инте-
гралом
Ia = I— J*2 /х10-вХ [СЫ] 1 dk.	(28.48Л)
Когда интенсивность падающего света увеличивается настолько,
что в наиболее сильно освещенном пигментном слое наступает свето-
вое насыщение, кривая интегрального выхода начинает изгибаться,
но она не становится горизонтальной до тех пор, пока не завершится
насыщение в самом глубоком слое. Поэтому (см. фиг. 191 и стр. 437)
с качественной стороны эффект неравномерного поглощения света
должен проявиться в расширении переходного участка, связываю-
щего линейно поднимающуюся и горизонтальную части световых
кривых.
Нас, однако, интересует, каким образом изменяется сама форма
световых кривых в результате подобной интеграции. Примем ради
простоты, что дифференциальные световые кривые являются равно-
бочными гиперболами
Pi _____ь*г.
рмакс__р
Ермаке[Chi] I
Pl= 1+Л*Л0"“1С11Ч1  .
Интегральная скорость (на единицу площади) будет:
/1о	рмако	1 I ь* т
р dl =------------ 1П ----
о 1йа [СЫ] 1П 10	1 + k /10-“1Ch"1
ИЛИ
р ______________In [(1 + Л*/)/(1 + fe*/10-“ |Chl] г°)]_
Раако — Р	1йа [СЫ] 1п 10 — In [(1 + k* 1)1(1 -[- А*/Ю~“ Iе1111 г»)1 ’
(28.48214)
(28.48/7)
(28.480)
Это уравнение не представляет равнобочную гиперболу. Оно может
быть разложено в ряд:
Р ==^1(1	а1с111] zoln 10 I (« [СЫ] Zo In 10)3 . (2 +Л*/) _
рмакс_ р	2!	3!2!	"(2 4-А*/)
(а[СЫ]/01п 10)3 (ЗЧ-А*/) (2-4-Л*/) , А /ооиогтч
4131	*	(1	(28.48/7)
Световой фактор. Интенсивность
479
Этот ряд показывает, что интегральная световая кривая практи-
чески остается равнобочной гиперболой до тех пор, пока третий
член в разложении остается значительно меньше единицы. В против-
ном случае она теряет форму гиперболы из-за наличия члена третьей
степени, содержащего произведение РР. Так как второй множитель
в третьем члене уменьшается при увеличении интенсивности света
с 2 до 1, то максимальное значение этого члена будет a [Chi]/0 In 10/6.
Из этого следует, что для того, чтобы максимальное отклонение
интегральной световой кривой от формы гиперболы превышало 5%,
интегральное поглощение должно быть не менее 50°/о:
(70//==2; lg/0//=a[Chl]/olnl0 = 0,30; a [Chi] Zo In 10/6 = 0,05).
При 75% поглощения максимальное отклонение достигает 10%. Это
показывает, что для получения экспериментальных световых кривых,
по которым можно было
бы судить о действи-
тельной форме функции
Р — f (Г), в качестве
предмета исследования
могут быть использованы
объекты с оптической
плотностью вплоть до
lg/o// = O,5.
Подобные вычисления
для гиперболы вообще
будут, конечно, гораздо
более запутанными, но
вряд ли ожидаемые вы-
воды будут сильно отли-
чаться от полученных
здесь для равнобочной
гиперболы.
В литературе можно
найти много попыток по-
лучить аналитические вы-
ражения для световых кри-
Ннтенсивность света в лк, 1д
Ф и г. 197. Являются ли световые кривые ги-
перболами? [114].
Сплошные линии, соответствующие уравнениям (27.77)
и (28.48Р), не гиперболы; пунктирная линия—равнобочная
гипербола (см. текст на стр. 480).
вых фотосинтеза, частью посредством использования очень простых
кинетических моделей, частью путем эмпирического приближения.
Упрощенные кинетические уравнения использовали, среди прочих,
Гош [49], Эмерсон и Грин [86, 87] и Бёрк и Лайневивер [90]; эмпи-
рические приближения — Брэкет [91] и Смит [101, ПО, 114].
Брэкет пытался выразить внезапное приближение световых кри-
вых к насыщеийю посредством экспоненциальной кривой. Смит пред-
лагал алгебраическую функцию более высокого порядка:
рурмако = с// уГ J + С2/3
(28.48Р)
480
Глава XXVIII
или
р) /(pxaE^2_p2L= CJ.	(28.48С)
Чтобы сравнить применимость функций [27.77] или [28.48Р],
с одной стороны, и уравнения для равнобочной гиперболы—с дру-
гой, Смит вывел для обоих типов функций уравнения, определяющие
комбинации параметров [СО2] и /, при которых выход Р имеет неко-
торое постоянное значение. На фиг. 197 приведены соответствующие
результаты. При наиболее низком из использованных значений
р (1g р = 0,8) наилучшее совпадение с опытными данными показала
кривая, соответствующая гиперболической зависимости, но при трех
более высоких значениях P(lgP = 1,2; 1,6 и 2,0) очень хорошее
совпадение было получено для уравнений [27.77] и [28.48Р].
СВЕТОВЫЕ КРИВЫЕ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
Связь между световыми кривыми фотосинтеза
и флуоресценции
In vitro интенсивность флуоресценции обычно пропорциональна
интенсивности освещения. Это объясняется тем, что и флуоресцен-
ция, и тушащие процессы, которые конкурируют с ней (т. е. дисси-
пация энергии и фотохимические реакции), представляют собой обычно
процессы первого порядка, мономолекулярные в отношении концен-
трации возбужденных молекул пигмента. Иначе говоря, каждая воз-
бужденная молекула имеет определенную вероятность излучать энергию
в виде флуоресценции, определенную вероятность дезактивироваться
путем диссипации энергии и определенную вероятность участвовать
в фотохимической реакции. Все эти вероятности независимы от кон-
центрации возбужденных молекул и, следовательно, от скорости их
образования и от интенсивности падающего света. При этих условиях
скорость фотохимических реакций также должна быть пропорцио-
нальна интенсивности света. Таким образом, и квантовый выход
флуоресценции, <р (= const • F/I, где F— интенсивность света флуо-
ресценции), и квантовый выход фотохимической реакции, y(=
= const • Р/I, где Р—скорость фотохимической реакции), обычно
не зависят от интенсивности падающего света, I.
Мы знаем уже, что в случае фотосинтеза f остается приблизи-
тельно постоянным только в ограниченном интервале низких интен-
сивностей света, соответствующем линейной части световых кривых
(см. табл. 42), и затем постепенно уменьшается. Возникает вопрос,
изменяется ли в этом случае также и <р при изменении интенсивности
света?
Сначала эксперименты, казалось, свидетельствовав, что интенсив-
ность флуоресценции продолжает увеличиваться пропорционально
интенсивности освещения (т. е. <р остается постоянным) на протя-
жении долгого времени после того, как фотосинтез начинает про-
Световой фактор. Интенсивность
481
являть световое насыщение (т. е. после того, как начинает сни-
жаться). Вассинк, Вермейлен, Реман и Катц [152], исследуя суспензию
Chlorella vulgaris, получили для Р и F две кривые, изображенные
на фиг. 198. Кривая флуоресценции оставалась линейной вплоть до
16 • 103 эрг/см2 • сек, тогда как фотосинтез оказывался светонасыщен-
ным уже около 10 • 103 эрг/см2 • сек.
Последующие исследования показали, однако, что подобное от-
сутствие корреляции между <р и у отнюдь не является общим прави-
лом. Чаще встречается случай, когда между этими величинами
Фиг. 198. Световое насыщение
фотосинтеза и отсутствие свето-
вого насыщения флуоресценции
суспензии Chlorella [116].
I—флуоресценция; II—газеобмен.
Фиг. 199. Интенсивность флуорес-
ценции листа пшеницы увеличивается
при высокой интенсивности света,
если концентрация СО2 мала, и
остается постоянной при высоких
концентрациях СО2 [154].
I-О.ОЗЛо СО,; Г/-40|0 со2.
имеется определенное соотношение, обычно антипараллелизм, т. е.
выход флуоресценции увеличивается при уменьшении выхода фото-
синтеза и наоборот.
Мак-Алистер и Майерс [154] обнаружили, что выход флуоресцен-
ции молодых растений пшеницы увеличивается при высоких интен-
сивностях света. Увеличение выхода начиналось при освещении с ин-
тенсивностью около 200 • 103 эрг/см2 • сек. Однако это явление
наблюдалось только при низкой концентрации двуокиси углерода
(0,03%), и никакого изменения © не было установлено, вплоть до
700’ 103 эрг/см2 • сек, если СО2 имелась в избытке (4%; фиг. 199).
Следует отметить, что Мак-Алистер и Майерс применяли свет
гораздо большей интенсивности, чем Вассинк и его сотрудники, но.
31 Зак, 4040. Е. Рабинович
482
Г лаб a XXViH
в их опытах, в присутствии 4% СО2 (см. табл. 41), насыщение
полностью не достигалось даже на свету 600 • 108 эрг/см2 • сек.
Франк, Френч и Пак [155], работая с листьями Hydrangea, обна-
ружили увеличение выхода флуоресценции на свету с интенсивностью
больше 20 • 108 эрг/см2 • сек даже при избыточном содержании дву-
окиси углерода (1% СОа). Эти измерения, проведенные вплоть до
130 • 108 эрг/см2 • сек, показали (фиг. 200), что при очень высоких
Интенсивность света, 103эрг/смг сек
Фиг. 200. Скорость фотосинтеза и выход флуоресценции
листьев Hydrangea как функция интенсивности света [155].
Следует обратить внимание, что верхняя кривая пред-
ставляет выход, тогда как две предыдущие фигуры по-
казывают абсолютные скорости, т. е. интеисивиости флуо-
ресценции.
Л. Выход флуоресценции. Б. Скорость фотосинтеза.
интенсивностях освещения выход флуоресценции опять становится
постоянным. Иначе говоря, выход флуоресценции увеличивается от
начального постоянного уровня <pi и приближается к конечному,
опять-таки постоянному уровню <р2 1,7^). У Hydrangea этот
переход имеет место приблизительно в той же самой области интен-
сивности, в которой фотосинтез становится светонасыщенным (см.
фиг. 200, Б).
Новые данные для Chlorella и для Scenedesmus были полу-
чены Шио и Франком [160]. Ими было обнаружено увеличение вы-
хода флуоресценции при высоких интенсивностях освещения также и
для этих одноклеточных водорослей: для Chlorella — в области
выше 20 • 108 эрг/см2 • сек и для Scenedesmus — в области выше
15-10 эрг/см2  сек.
Световой фактор. ЙнтёнеивндстЬ

Многочисленные измерения флуоресценции Chromatlum (штамм
описаны Катцом, Вассинком и Доррештейном [157] и Вассинком*
Катцом и Доррештейном [158], которые нашли, что увеличение
выхода флуоресценции при высоких интенсивностях освещения выра-
жено у этих бактерий даже более резко, чем у зеленых растений.
Этот вывод иллюстрируется фиг. 204—207, которые показывают
также влияние концентрации восстановителя на вид световых кривых
флуоресценции. В присутствии избытка восстановителя (водорода или
Фиг. 201. Интенсивность и выход флуоресценции как
функции интенсивности падающего света (схематично).
тиосульфата) увеличение <р начинается только при 15 • 108 эрг/см2  сек,
тогда как при полном отсутствии восстановителя выход флуорес-
ценции является высоким уже при интенсивности света всего
в 1 • 108 эрг/см2 • сек.
На фиг. 201 показан переход от выхода флуоресценции при низ-
кой интенсивности света, к выходу, получаемому на сильном
свету, <ра. Величина выхода на верхней фигуре становится практи-
чески постоянной (<р = ср2), когда разница между углами ® и <р2 на
нижней фигуре перестает быть значительной.
Сравнение фиг. 206 со световыми кривыми фотосинтеза Chroma-
tiurn в присутствии тиосульфата (см. фиг. 171) указывает на суще-*
ствование приблизительного антипараллелизма между ® и f. Выход
31*
484
Глава XXViH
флуоресценции, ср, начинает повышаться около 10 • 103 эрг/см2  сек
в 1-процентном тиосульфате и несколько раньше в 0,05-процент-
ном, тогда как первые признаки насыщения, т. е. понижения 7,
становятся заметными несколько выше 10 • Ю3 эрг/см2 • сек в 1-про-
Фиг. 202. Влияние СО2 на флуо-
ресценцию диатомовых водорос-
лей [159].
центном тиосульфате и около
5 • 103 эрг/см2  сек — в 0,067-про-
центном.
Все упоминавшиеся до сих пор
зеленые растения и водоросли по-
казывали увеличение <р при высоких
интенсивностях света. Противопо-
ложное явление наблюдали Вассинк
и Керстен [159] у одного вида ди-
атомовых водорослей. Здесь выход
флуоресценции в присутствии дву-
окиси углерода уменьшался одновре-
менно с насыщением фотосинтеза,
т. е. <р2 был меньше, чем Если
же концентрация СО2 была низкой,
выход <pj оставался неизменно вы-
соким (фиг. 202).
Френч и Коски [164] сооб-
щают, что флуоресценция хлорофилла
одной из красных водорослей умень-
шалась, когда интенсивность возбуждающего зеленого света достигала
4 • 108 эрг/см2 • сек', флуоресценция фикоэритрина оставалась при этом
пропорциональной I.
Влияние различных факторов на световые кривые
флуоресценции
Выше мы видели, что выход флуоресценции, <р, часто зависит от
изменений выхода фотосинтеза, 7, если последние вызываются пере-
менами в интенсивности освещения. Поэтому мы вправе ожидать, что
на <р оказывают влияние также и другие внешние или внутренние
факторы, влияющие на 7.
Двуокись углерода. О влиянии концентрации СО2 на флуорес-
ценцию было уже упомянуто ранее. Прежде всего были отмечены
результаты Мак-Алистера и Майерса (см. фиг. 199), которые нашли,
что <р у пшеницы увеличивается на сильном свету, если концентра-
ция СО2 равна 0,03%, и не изменяется при концентрации последней
в 4%. В качественном согласии с этими данными находятся резуль-
таты Франка, Френча и Пака [155], которые установили, что при
интенсивности света в 17 • 103 эрг/см2 • сек выход флуоресценции
Hydrangea в отсутствие двуокиси углерода был почти на 20% выше,
чем в присутствии 5% СО2.
Световой фактор. Интенсивность
485
в
отсутствие, чем в присутствии
203. При отсутствии вос-
СО2 не оказывает
Ф и г.
становителя
влияния на флуоресценцию пур-
пурных бактерий [158].
Что эти
доступа внешней СО2», а не
Как упоминалось выше, при высоких интенсивностях освещения
и в присутствии СО2 Вассинк и Керстен [159] нашли скорее умень-
шение, чем увеличение выхода флуоресценции диатомовых водорослей;
в суспензии, не содержащей двуокиси углерода, оставался неиз-
менным вплоть до 100 • 10s эрг'см? • сек (см. фиг. 202). Иначе говоря,
для этого типа растений, так же как и для Hydrangea или Triticum,
выход ©2 на сильном свету был выше
двуокиси углерода; однако в этом
случае наблюдающаяся разница яви-
лась, скорее, следствием пониже-
ния © при усвоении СО2, а не уве-
личения © голодающих клеток, как
это имело место для других видов.
При оценке фиг. 202 следует
помнить, что, согласно фиг. 169,
фотосинтез Nitzschia не полностью
прекращается в воздухе, не содер-
жащем СО2. Возможно,
клетки в результате темнового мета-
болизма выделяют так много дву-
окиси углерода или промежуточных
продуктов, которые могут исполь-
зоваться прямо для фотосинтеза, что
их фотосинтез нельзя остановить,
пропуская через суспензию пузырьки
воздуха, не содержащего СО2.
Является ли это объяснение продол-
жающегося выделения кислорода
в суспензии Nitzschia в атмосфере,
не содержащей СО2, правильным или
нет, но обозначение «без СО2» на
фиг. 202, безусловно, означает «без
«полное подавление фотосинтеза из-за отсутствия СО2».
Сравнение фиг. 202 с эффектами низкой температуры (см. фиг. 213)
и. ингибирования цианидом (см. фиг. 218) для тех же видов показы-
вает, что результаты были бы более правдоподобными и последова-
тельными, если бы обозначение двух кривых фиг. 202 было обратным.
Еще один случай необычного влияния двуокиси углерода на све-
товые кривые флуоресценции наблюдали на пурпурных бактериях
Вассинк, Катц и Доррештейн [158]. Во-первых, эти авторы не обна-
ружили никакого влияния недостатка двуокиси углерода в отсутствие
восстановителя (фиг. 203), т. е. в условиях, которые не могут быть
воспроизведены для зеленый растений. В присутствии тиосульфата
или водорода недостаток двуокиси углерода сказывался, хотя и не-
значительно, но вполне заметно. Данные фиг. 204, А, полученные
в присутствии тиосульфата, можно интерпретировать по аналогии
486
Глава XXVIII
с данными Франка и Мак-Алистера; здесь также область перехода от
низкого выхода, ©р к более высокому выходу, <р2, в отсутствие СОа
сдвинута, повидимому, в сторону низких интенсивностей света. Однако
фиг. 204, Б, полученная с водородом в качестве восстановителя, пока-
зывает, что отсутствие двуокиси углерода повышает выход флуоресцен-
ции только в ограниченном интервале интенсивности освещения: ниже
10 • 103 эрг)см^ • сек. При более высоких интенсивностях положение
меняется на обратное, так что при 30 • 108 эрг/см2 - сек флуоресценция
в присутствии СО2 оказывается приблизительно на 1/3 сильнее, чем
в ее отсутствие.
Восстановители. Влияние концентрации восстановителей (тиосуль-
фата, водорода и т. п.) на форму кривых флуоресценции Chromatlum
иллюстрируется фиг. 205—207. Сравнивая их с фиг. 204, можно
видеть, что влияние восстановителя гораздо сильнее, чем влияние
Фиг. 204. Влияние СО2 на флуоресценцию пурпурных бактерий
в присутствии восстановителей [158].
Л. 1°|о тиосульфата; pH 6,3; 29’. 5. 15°,'о водорода; pH 6,3; 29’.
двуокиси углерода. Фиг. 208 показывает «критическую» интенсивность
света 1е (см. фиг. 201) в зависимости от концентрации тиосульфата.
Она поднимается от 2 • 103 эрг! см? • сек без тиосульфата до
10 • 103 эрг)см? • сек в присутствии О,5°/о тиосульфата и затем ста-
новится более или менее постоянной. Тиосульфатное насыщение фото-
синтеза происходит приблизительно в том же пределе концентрации.
Вассинк и его сотрудники обнаружили, однако, что при исполь-
довднци водорода В качестве восстановителя, при pH 7,6, переходив;Л
Интенсивность света, -
Ю4 эрг/см2 сек
Интенсивность света,
1О‘,эрг/см2-сек
Фиг. 206. Влияние концентрации
тиосульфата на интенсивность флуо-
ресценции [158].
5»/о СО,; pH 6,3; 29°.
Ф и г. 205. Флуоресценция пурпур-
ных бактерий как функция концен-
трации восстановителей [158].
5»)о со,; pH 6,3; 29°.
Фиг. 207. Влияние концентрации
водорода на интенсивность флуорес-
ценции [158].
5»;» СО,; pH 7,6; 29’.
488
Г лае a XXVIII
пункт флуоресценций находился заметно выше, чем точка насыщения
для газообмена.
Характерный начальный изгиб кверху у кривых флуоресценции
Chromatium целиком не исчезает даже при полном отсутствии вос-
становителя. Это явление может быть приписано действию внутренних
восстановителей, присутствия которых на слабом свету достаточно,
чтобы предохранить фотокомплекс от полного превращения в сильно
флуоресцирующую форму. И действительно кривую можно выпрямить
Ф и г. 208. Переходный пункт флуо-
ресценции 1е как функция концентра-
ции тиосульфата [158] (см. фиг. 201).
Фиг. 209. Влияние избытка восста-
новителей на интенсивность флуорес-
ценции в отсутствие СО2 [158]
(pH 6,3; 29°).
нутым выше экспериментом (см. фиг. 203), в котором удаление дву-
окиси углерода не влияло на флуоресценцию в отсутствие восстано-
вителя. К обсуждению этого любопытного расхождения мы еще вер-
немся в конце настоящей главы.
Влияние температуры. Каутский и Спон [150] заметили, что
флуоресценция листьев была сильнее при 0°, чем при 30°; однако
Вассинку, Вермейлену, Реману и Катцу [152] не удалось обнаружить
подобного влияния температуры на флуоресценцию суспензии Chlo-
rella в пределах 10—30° (фиг. 210).
Франк, Френч и Пак [155] обнаружили, что быстрое охлаждение
листьев Hydrangea с 23° до 0° вызывает «вспышку» флуоресценции,
которая затухает через 10—20 мин. (фиг. 211). К этому наблюдению
Световой фактор. Интенсивность
489
!О4 эрг/смгсек
Фиг. 210. Флуоресценция хлоро-
филла в суспензиях Chlorella при
различных температурах [152].
мы вернемся при обсуждении «индукционных» явлений в гл. XXXIII.
Здесь мы отметим только, что даже после того, как вспышка закан-
чивается, стабильный выход флуоресценции остается ббльшим при 0°,
чем при комнатной температуре
(см. фиг. 211, В, уровни А и Е).
Подобное действие темпера-
туры можно наблюдать только при
некоторых средних интенсивностях
освещения (например, при 5 и
27 • 103 эрг!см2 • сек; см. фиг. 211,
Б и В), но не на сильном (на-
пример, 220 • 10s эрг/см2 • сек; см.
фиг. 211,А) или слабом свету
(например, 1,8 . 103 эрг/см2 • сек;
см. фиг. 211, В). Иначе говоря,
понижение температуры, повиди-
мому, не оказывает никакого
влияния на стабильные уровни
флуоресценции <pj и ®2 (см.
фиг. 201), но сдвигает переход
от tpj к в сторону более низкой
интенсивности света (фиг. 212).
Влияние температуры на све-
товые кривые флуоресценции на-
блюдали также Вассинк и Керстен
[159] при работе с диатомовыми
водорослями.
На фиг. 213 видно, что осо-
бенность кривых флуоресценции
этих видов, отмеченная при изме-
рениях в присутствии или в от-
сутствие внешней СО2 (см.
фиг. 202), повторяется у кривых,
полученных при высокой и низкой
температуре: выход флуоресцен-
ции или остается неизменным, или понижается при высокой интенсивности
освещения. Дополнительной особенностью является то, что кривые, полу-
ченные при низкой температуре, похожи на кривые, полученные в при-
сутствии двуокиси углерода, а кривые, найденные при высокой темпе-
ратуре, подобны полученным в отсутствие внешней СО2. Между тем
обычно преобладает обратное соотношение и эффект понижения
температуры соответствует эффекту удаления двуокиси углерода.
На фиг. 213 видно, что выход флуоресценции при 25° остается по-
стоянным вплоть до 100 . 103 эрг/см2 • сек, тогда как насыщение
фотосинтеза при этой температуре начинается около 20 и завер-
шается около 45 • 103 эрг/см2 • с?К,
в
1г- 2,7 -IO4
T, = dl8 Ю4
5 6 7 8 9 юга
Время, мин.
Ф иг. 211. Влияние низкой температуры на установившуюся флуоресценцию
при различной интенсивности освещения [155].
Ф и г. 212. Выход флуоресценции как функция интенсивности
возбуждающего света при 23 и 0° (фотосинтез ингибирован) [155].
12
Интенсивность света,
104эрг/смг-сек
Фиг. 213. Интенсивность флуоресценции
диатомовых водорослей как функция интен-
сивности освещения при температуре 25
и 5° [159].
фиг. 214. Кривые флуоресценции Chromatium при различных температу-
рах [158].
Д, I»,'q тиосульфата; pH 6,3; 5”fo СО?. Б. 15»'о водорода; pH ?,6; 5”/, СО,,
492
Глава XXVII/
Температурный эффект, подобный тому, какой наблюдался в зе-
леных растениях, был найден для пурпурных бактерий Вассинком,
Катцом и Доррештейном [158]. При 16° переходной пункт /е лежал
около 10 • 103 эрг/см2 • сек и при 29°—около 20 • 103 эрг/см2 • сек.
Ф и г. 215. Влияние цианида на флуо-
ресценцию хлорофилла в суспензиях
Chlorella [152].
Результаты наблюдений этих авто-
ров иллюстрируются фиг. 214.
Цианид. Сдвиг переходного
пункта флуоресценции в сторону
более низких интенсивностей света
может быть произведен также при-
бавлением цианида. Стимулирую-
щее действие цианида на выход
установившейся флуоресценции
впервые наблюдали Каутский и
Гирш [151] в опытах с листьями.
Вассинк, Вермейлен, Реман и
Катц [152] не обнаружили подоб-
ного эффекта в суспензиях Chlo-
rella (фиг. 215); однако несколько
позже Вассинк и Катц [153] до-
казали, что цианидное стимули-
рование все же имеет место также
и для Chlorella, но только тогда,
когда концентрация цианида доста-
точно высока, чтобы вызвать пол-
ное подавление фотосинтеза. Эта
концентрация полностью прекра-
щает также и дыхание, которое
с точки зрения теории «наркоти-
зации» Франка является важным
фактором, так как эта теория
предполагает, что «наркотик», тормозящий работу фотосинтетического
аппарата, подвергается быстрому окислению, если дыхание интенсивно,
и может сохраняться долгое время, если дыхание слабо. На фиг. 216
видно, что влияние цианида на установившуюся флуоресценцию Chlo-
rella проявляется в исчезновении понижения флуоресценции, обычно
наблюдаемого после первых 30 сек. освещения. Это понижение пол-
ностью отсутствует в 2,5 • 10-3 М растворе цианистого калия
(см. верхнюю кривую на фиг. 216).
Как видно на фиг. 217, действие цианида на установившуюся
интенсивность флуоресценции при увеличении интенсивности света
сначала усиливается. Однако Франк, Френч и Пак [155] обнаружили,
что при дальнейшем увеличении интенсивности света цианид перестает
оказывать влияние на флуоресценцию. Так, например, присутствие
2-процентной газообразной HCN в атмосфере увеличивало выход
Световой фактор. Интенсивность
493
флуоресценции листьев Hydrangea (при 1% СО2) на 12%, если
интенсивность падающего света была равна 2 • 10s эрг) см2 • сек, и
Фиг. 216. Соотношение между флуоресценцией и временем пре-
бывания на воздухе как функция ингибирования фотосинтеза
цианидом при 29° [153]; параметры — процентное содержание
KCN в растворе, 0,1 мл которого прибавляли к 2 мл клеточной
Фиг. 217. Стационарные зна-
чения флуоресценции Chlorella
как функция интенсивности
света в присутствии и в отсут-
ствие цианида [153].
Газовая фаза — воздух; 29°.
Фиг. 218. Влияние цианида
на флуоресценцию диатомо-
вых водорослей при 25° [159].
на 6% — при 4,7 • 108 эрг/см2  сек. При интенсивности же света
в 70 . 108 эрг/см2 • сек цианид не оказывал никакого влияния. Таким
494
Рлаеа XXVlH
образом, действие цианида походило в этом случае на действие низ-
кой температуры или недостатка двуокиси углерода: все три фактора
вызывали сдвиг критической интенсивности /с в сторону более низких
интенсивностей света, но не оказывали влияния на два «предельных»
выхода, <pj и <р2. Работая с диатомовыми водорослями, Вассинк и
Керстен [159] установили, что влияние цианида в этом случае подобно
действию понижения температуры или добавления (не удаления!) дву-
окиси углерода.
Приблизительно до 6.108 эрг!см2 • сек выход флуоресценции
при 25е слегка увеличивался в присутствии О,ООЗ°/о KCN, но при
Фиг. 219. Влияние цианида на флуоресценцию Chromatium [158].
&h СО,; pH 6,3; 29°.
А. 1»|» тиосульфата. Б. l&fo водорода.
более высоких интенсивностях выход в присутствии яда становился
значительно меньшим (фиг. 218). Здесь, следовательно, мы можем
опять отметить противоречие с данными прочих наблюдений, так как
в других случаях добавление HCN обычно вызывало тот же эффект,
что и удаление СО2. Следует отметить также, что кривая неингиби-
рованного образца (см. фиг. 218) показывает заметное увеличение <р
при высоких интенсивностях света, тогда как кривая на фиг. 213,
полученная в тех же условиях, представляет собой строго прямую
линию.
При 6° выход доставался неизменным вплоть до 130 • Ю3зрг/см!1’сек.
Повидимому, в этом случае низкий выход <р2 превалировал до самых
низких интенсивностей света.
Катц, Вассинк и Доррештейн [156] утверждают, что влияние
цианида на переходную интенсивность /с у пурпурных бактерий,
так же как у Chlorella, подобно действию уменьшения концентрации
Световой фактор. Интенсивность	49S
двуокиси углерода. Вассинк, Катц и Доррештейн [158] дали несколько
кривых флуоресценции для бактерий, отравленных цианистым калием.
В отсутствие восстановителей прибавление KCN вплоть до О,О167°/о
не влияло на флуоресценцию. Это — результат, аналогичный тому,
который получен при опытах с углекислотным голоданием, и под-
тверждающий предположение о том, что синильная кислота — яд, ока-
зывающий влияние прежде всего на фиксацию двуокиси углерода.
Однако очень высокая концентрация цианида оказывала сильное угне-
тающее действие на флуоресценцию Chromatium даже в отсутствие
водородных доноров (снижение более чем на 5О°/о в 0,05-процентном
KCN). При наличии восстановителей кривые флуоресценции в при-
сутствии и в отсутствие цианида (фиг. 219) показывали небольшие,
но явные различия, несколько похожие на те, которые были найдены
при изменении концентрации двуокиси углерода (см. фиг. 204).
Гидроксиламин и азид. Наблюдения над действием этих двух
ядов на флуоресценцию были проведены Вассинком с сотрудниками [158]
при работе с пурпурными бактериями. Полученные ими результаты
приводятся на фиг. 220, 221. Влияние гидроксиламина, повидимому,
подобно тому, которое оказывает цианистый калий: вплоть до кон-
центрации в О,О5°/о (при которой фотосинтез ингибируется прибли-
зительно на 5О°/о) гидроксиламин не оказывает никакого действия
на флуоресценцию, затем, при концентрации О,1°/о, он вызывает силь-
ное стимулирование флуоресценции.
Действие азида натрия отличается от действия цианистого калия
или гидроксиламина в двух отношениях. Это соединение оказывает
влияние на флуоресценцию (см. фиг. 221) даже в отсутствие восста-
новителей, и типичным для него является скорее понижение, чем по-
вышение выхода флуоресценции.
Концентрация водородных ионов. Выход флуоресценции Chro*
matium может изменяться при изменении pH. По данным Вассинка
и сотрудников [158], знак изменения зависит от того, какой восста-
новитель— молекулярный водород или тиосульфат—-применяется в ка-
честве водородного донора*. Соответствующие данные приведены на
фиг. 222.
В отношении действия других катионов или анионов на выход
флуоресценции зеленых растений или пурпурных бактерий никаких
экспериментальных материалов в настоящее время не имеется.
Наркотики. Каутский и Гирш [151] нашли, что наркотики уве-
личивают интенсивность стабильной флуоресценции водяных растений;
их результаты подтвердили Вассинк, Вермейлен, Реман и Катц [152]
(фиг. 223). По данным Франка, Френча и Пака [155], очень высокие
* В гл. XXVII мы видели, что та же самая зависимость наблюдается при
влиянии pH на восстановление двуокиси углерода этими соединениями.
Фиг. 220. Влияние NH2OH-HC1 на
флуоресценцию Chromatlum [158].
5»'о СО2; 15»/« Н2; pH 7,6; 29°
Интенсивность света, КГэра/см2сек
Фиг. 221. Влияние NaN3 на флуоресценцию Chromatlum [158].
А. Без восстановителя; 5°,'о СОи; pH 6,3; 20°. Б. 15°/0 водорода; СО2; pH 6,3; 20°.
Фиг. 222. Влияние pH на флуоресценцию Chromatium [158].
А. 1о[о тиосульфата. Б. 15Q!o водорода.

223. Влияние этилуретана на g
Фиг.:
флуоресценцию хлорофйлла в су сиен- §
зии Chlorella [152].
£
32 Зак. 4040. Е. Рабинович
498
Глава XXVHI
концентрации двуокиси углерода (например, 2О°/о) производят такое
же действие. В гл. XIII (т. I) было указано, что действие чрезмерно
больших концентраций СО2 на фотосинтез подобно наркотизации.
Вассинк, Катц и Доррештейн [158] изучали это явление на пур-
пурных бактериях. Фиг. 224 показывает типичные результаты, полу-
ченные в присутствии и в отсутствие восстановителей. Картина весьма
напоминает ту, которая получается под действием азида натрия: в от-
сутствие восстановителей добавление увеличивающихся количеств этил-
уретана вызывает прогрессивно увеличивающееся тушение флуоресцен-
ции (впрочем, влияние становится обратным, если концентрация уретана
оказывается больше 1,5°/0, во всяком случае при интенсивности света
меньше 15 • 103 эрг) см2 • сек). В присутствии восстановителей умерен-,
ные количества этилуретана совершенно не дают эффекта или оказы-
вают лишь небольшое влияние на вид кривой флуоресценции, тогда
как концентрация свыше 2°/0 вызывает сильное ее повышение.
Кислород. Естественно, что Каутский,, теория которого об исклю-
чительной роли кислорода при переносе энергии возбуждения описана
в т. I (стр. 521), интересовался тушением флуоресценции листьев
кислородом. Однако ни Каутский, Гирш и Давидсгофер [149], ни
Каутский и Гирш [151], ни Вассинк, Вермейлен, Катц и Реман [152]
не смогли обнаружить никакого определенного влияния изменений
в концентрации внешнего кислорода (в пределах 1 и 1ОО°/о) на выход
стабильной флуоресценции листьев и водорослей. Мак-Алистер и
Майерс [154] нашли, что увеличение концентрации кислорода от 0,5
до 20°/о вызывало заметнее усиление флуоресценции (фиг. 225),
т. е. эффект, противоположный тушению и, возможно, связанный
с ингибирующим действием кислорода на фотосинтез, описанным в т. I
(гл. XIII).
Шио и Франк [160] отметили, что при низких интенсивностях
света флуоресценция зеленых водорослей была сильнее в атмосфере
азота, чем в воздухе; однако увеличение ® при повышении интен-
сивности света в воздухе началось раньше. В некоторых случаях обе
кривые даже пересекались друг с другом, так что на сильном свету
аэрированная суспензия флуоресцировала сильнее, чем неаэрированная.
В данной главе мы говорили только о тех изменениях флуорес-
ценции хлорофилла, которые вызываются внутренними химическими
превращениями, связанными с фотосинтезом. Связь между этими явле-
ниями может быть выяснена только косвенным путем, при сравнении
действия интенсивности освещения, температуры и ядов на выходы
фотосинтеза и флуоресценции. Тушение флуоресценции хлорофилла
in vitro может быть произведено непосредственно, путем прибавления
определенных веществ, подвергающихся самоокислению, а также многих
окислителей, в том числе и свободного кислорода (см. гл. XXIII).
Нет никаких данных о тушении флуоресценции хлорофилла in vivo
аминами или другими соединениями, являющимися возможным субстра-
Фиг. 224. Влияние этилуретана на флуоресценцию Chromatlum
в отсутствие и в ррисутствии восстановителей [158]. ’ft
А. Без вссстановнтеля. Б. 15°/о водорода.
Интенсивность света, 104эрг/смг сек
Фиг. 225. Поглощение СО2 и флуоресценция в за-
висимости от интенсивности падающего света [154].
Зачерненные знаки — интенсивность флуоресценции;
иезачерненные знаки — скорость поглощения СО2.
32*
500
Глава XXVII!
том сенсибилизированного фотоокисления. Действие кислорода, по
приведенным выше данным, является сложным и, очевидно, главным
образом косвенным.
Шио и Франк (160] обнаружили, что хинон подавляет флуорес-
ценцию у Chlorella, если он добавляется в темноте или на сцету
после длительной анаэробной инкубации.
Интерпретация световых кривых флуоресценции
При обсуждении вопроса об изменении интенсивности флуоресцен-
ции мы до сих пор принимали (не имея противоположных указаний),
что все наблюдаемые изменения представляют собой увеличение или
уменьшение выхода флуоресценции, <р, без значительных сдвигов в по-
ложении полос флуоресценции. Это положение следовало бы, конечно,
проверить точными исследованиями. Изменения в структуре хлоро-
филлового комплекса, например превращение X • Chi  HZ в НХ • СЫ • Z,
не говоря уже об обратимом гидрировании СЫ гСЫ, могут,
конечно, иметь следствием изменение положения и формы полос флуо-
ресценции, а селективная спектральная чувствительность применяемого
фотометрического прибора может превратить эти изменения в види-
мые колебания интенсивности флуоресценции. Хотя в высшей сте-
пени мало вероятно, чтобы подобные спектральные эффекты обусло-
вливали все или даже большую часть вышеописанных изменений
интенсивности флуоресценции, все же было бы неправильным полностью
игнорировать их возможность.
Истинные изменения интенсивности флуоресценции могут вызываться
двумя факторами: изменениями относительных вероятностей флуорес-
ценции и диссипации энергии в светопоглощающем комплексе и из-
менениями вероятности первичного фотохимического процесса. Как
указывалось ранее (см. т. I, стр. 554, а также гл. XXIII и XXIV
данного тома), поглощенную световую энергию стремятся использовать
три конкурирующих процесса: диссипация энергии (константа ско-
рости, &г; квантовый выход 8), химическое превращение (константа
скорости kt', квантовый выход 7) и флуоресценция (константа скоро-
сти kf, квантовый выход <р). Если все три конкурирующих процесса
подчиняются закону мономолекулярных реакций, то их квантовые
выходы определяются уравнениями следующего типа:
? = ^/(^+^+^)	(28.49)
(см. т. I, уравнение 19.8).
Если первичный фотохимический процесс происходит при столкно-
вении с кинетически независимым партнером А, то уравнение кванто-
вого выхода превращается в
<? = kfl(kf+k\ [А] + ЙД	(28.50)
где — бимолекулярная константа скорости (см. уравнение (23.18)).
Световой фактор. Интенсивность
501
Мы принимаем, что первичным фотохимическим процессом фото-
синтеза является таутомеризация (например: X-Chl-HZ —> HX-Chl-Z,
или АСО2 • Chi • А'Н2О +л) АНСО2 • Chi • А'НО, или АСО2 • Chi •
• А'Н2О АСО2 • СЫН  AZHO АНСО2 • Chi • А'НО). Так как
таутомеризация является мономолекулярным процессом, то в этом
случае можно применить уравнение (28.49). Таким образом, по из-
менению <р можно судить о колебаниях в составе или структуре свето-
чувствительного комплекса, которые влияют на константы скорости, kt
и k{. Константа скорости процесса флуоресценции, kf, остается прак-
тически неизменной, пока нет значительных изменений интенсивности
полосы поглощения, так как и флуоресценция, и поглощение опре-
деляются вероятностью перехода между основным и возбужденным
состоянием. Можно, конечно, принять во внимание возможность ту-
шения флуоресценции путем соударения с посторонними молекулами
(введя «бимолекулярные» члены в знаменатель уравнения (28.49)), так
как последнее часто наблюдается у флуоресцирующих газов и рас-
творов. Однако кажется более правдоподобным, что изменения флуо-
ресценции, связанные с фотосинтезом, обусловливаются изменениями
внутри хлорофиллового комплекса, а не образованием или исчезнове-
нием новых кинетически независимых тушащих веществ. В т. I от-
мечалось, что естественное время жизни возбужденного состояния
молекулы хлорофилла есть величина порядка 8 • 10-8 сек.; низкий
выход флуоресценции in vivo (порядка О,1°/о) указывает, что дей-
ствительное время жизни в этом случае в 100 раз короче, т. е. равно
приблизительно 8 • 10-10. Чтобы при этих условиях могло произойти
заметное тушение флуоресценции путем кинетических соударений
с посторонними молекулами, последние должны присутствовать в кон-
центрациях, достаточно высоких для того, чтобы интервалы между
столкновениями не были длиннее 10~10 сек. Это требует концентра-
ций порядка, по крайней мере, 0,01 и, возможно, даже 0,1 моль/л.
Кажется невероятным, чтобы такие высокие концентрации свободно
движущихся молекул продуктов реакции -могли действительно возни-
кать и исчезать во время фотосинтеза.
Очень часто взаимоотношения между выходом фотосинтеза и вы-
ходом флуоресценции представляют себе как простое «или-или». Если
бы это было так, то всегда, когда Р увеличивается, F должна была
бы уменьшаться, и наоборот. В действительности же является
слишком малой величиной (^ 0,01), чтобы быть эффективным конку-
рентом для. 7 (?«1 в первичной реакции; для восстановления же
1 молекулы двуокиси углерода могут потребоваться 4—8 первичных
реакций). Действительная конкуренция существует между © и 3, т. е.
между первичной фотохимической реакцией и диссипацией энергии.
Выход флуоресценции можно рассматривать только как показатель
того, на какую величину оба эти значительно более эффективных
процесса сокращают время жизни возбужденной молекулы хлорофилла.
502
Глава XXVIII
Другими словами, мы можем написать, с хорошим приближением,
вместо уравнения (28.48):
	<Р-	afy/(A + ^d)	
и также			
	Т-	й ktl(kt kdy,	(28.51)
	8я	а	^d)- .	
Уравнение (28.51) показывает, что <о не обязательно увеличивается на
ту же величину, на которую уменьшается у (или наоборот), так как
одновременное изменение 8 может повлиять не только на абсолютную
величину эффекта, но даже и на его знак. Если kt уменьшается —
например, если первичная фотохимическая реакция становится пол-
ностью невозможной, — тогда как kd остается более или менее по-
стоянной, то флуоресценция, конечно, должна увеличиваться; но если
одновременно с уменьшением kt сильно увеличивается kd, иными
словами, если диссипация энергии значительно ускоряется, например
в результате изменений в структуре пигментного комплекса, то выход
флуоресценции, <р, может понижаться параллельно с понижением вы-
хода фотохимической реакции, 8.
При обсуждении теории световых кривых фотосинтеза в данной
главе мы предположили, что светочувствительный комплекс в нор-
мальном состоянии имеет состав: X • Chi • HZ (или АСО2 • Chi • A'HR,
если мы постулируем непосредственную ассоциацию хлорофилла со
связанной двуокисью углерода и восстановителем). При интенсивном
освещении, или при отсутствии одного или обоих реагентов — СО2
и HR — или, наконец, при отравлении подготовительных катализато-
ров хлорофилловый комплекс может почти полностью перейти в тауто-
меризованное или химическое измененное состояние. Если нормальным
состоянием является X • СЫ • HZ, измененными состояниями могут
быть НХ • Chi • Z (таутомерное), НХ • СЫ  HZ (восстановленное) и
X • Chi • Z (окисленное). Если нормальное состояние выражается фор-
мулой АСО2 • СЫ • A'RH, то имеется возможность появления, кроме
таутомерного, окисленного и восстановленного состояния, еще трех
«голодных» состояний, а именно: А  Chi • A'R (голодание в отноше-
нии двуокиси углерода), АСО2 • СЫ • А' (голодание в отношении вос-
становителя) и А • СЫ • А' (полностью голодное состояние).
Сверх этого, можно себе представить состояния, при которых СО2
или RH не только отсутствуют, но и заменяются другими молеку-
лами, либо также подходящими для использования в качестве водо-
родных акцепторов или доноров (например, кислород или «окисли-
тели-заменители» и «восстановители-заменители», рассмотренные
в гл. VIII; см. т. I, стр. 550), либо инертными, такими, как различ-
ные «наркотики». Возможно, что последние могут вытеснить из хло-
рофиллового комплекса не только реагенты СО2 или RH, но даже и
их «носителей» — А и А'. Франк с сотрудниками [155, 161, 163],
Световой фактор. Интенсивность
503
основываясь главным образом на изучении индукционных явлений
(см. гл. ХХХШ), пришли к заключению, что наркотические вещества
образуются внутри клетки: в темноте — в результате ферментации,
в особенности в анаэробных условиях; на свету — в результате фото-
окисления или посредством механизма, который мы уже многократно
описывали, а именно: реакции накопляющихся предшественников ки-
слорода, фотоперекисей, со способными к окислению клеточными ком-
понентами. Такие реакции происходят всякий раз, когда эти перекиси
удаляются слишком медленно, например вследствие недостаточной
концентрации катализатора Ес. Франк рассматривает эту самонарко-
тизацию как основную причину наиболее поразительных изменений
флуоресценции, при которых <р увеличивается в 2 раза или больше
(см. фиг. 224). Примеры увеличения выхода флуоресценции в резуль-
тате адсорбции на «защитных» веществах неоднократно наблюдались
in vitro, хотя, безусловно, нельзя считать общим правилом, что всякая
адсорбция усиливает флуоресценцию. В гл. XXIII мы видели, что ас-
социация с такими веществами, как лецитин или олеиновая кислота,
благоприятствует флуоресценции хлорофилла, тогда как адсорбция
на крахмале, алюминиевых квасцах или белках тушит ее в большей
или меньшей степени. Кажется весьма вероятным, что именно при-
рода и ориентация сил, действующих между пигментной молекулой
и адсорбентом, являются факторами, которые определяют, в чем
именно выразится влияние этих сил на свойства пигментной моле-
кулы: будет ли оно заключаться в увеличении возможности распре-
деления энергии возбуждения по большему числу степеней свободы и
вследствие этого в облегчении превращения ее в теплоту, или эффект
этих сил выразится в ориентации и закреплении некоторых свободно
колеблющихся или вращающихся частей самой пигментной молекулы,
что приведет к более затрудненной диссипации энергии внутри нее.
Другая возможность для замедления внутренней диссипации энергии
в результате комплексообразования или адсорбции представляется
в том случае, если диссипация возможна только после того, как воз-
бужденная молекула примет определенную конфигурацию, соответ-
ствующую точке пересечения двух кривых потенциальной энергии
для двухатомной модели. Временная диссипация энергии возбуждения
по большему числу степеней свободы, становящаяся возможной, когда
молекула вступает в комплексное соединение или адсорбируется, мо-
жет удлинить среднее время, необходимое для того, чтобы молекула
достигла «критической» конфигурации.
Что касается флуоресценции хлорофилла in vivo, то было найдено,
что действие такого типичного наркотика, как этилуретан, выражается
в увеличении выхода флуоресценции Chlorella приблизительно на
25°/0 (см. фиг. 223), в тушении флуоресценции Chromatium при
отсутствии восстановителей (см. фиг. 224, Л) и в значительном уси-
лении (до 4О°/о) той же флуоресценции в присутствии восстанови-
теля (см. фиг. 224, Б). Франк предположил, что самонаркотизация
504
Глава XXVIII
может быть очень важным защитным приспособлением для предохране-
ния растений от деструктивных фотохимических реакций (например,
фотоокислений), которые, повидимому, протекают всегда, когда фото-
синтетический аппарат по той или иной причине не может работать
на нормальных для него субстратах.
Из вышеизложенного следует, что нас не должны удивлять до-
вольно запутанные изменения выхода флуоресценции, наблюдающиеся
при ускорении или замедлении фотосинтеза под воздействием внеш-
них факторов, например интенсивности света, концентрации СО2 и
RH или под влиянием различных ингибиторов.
Как было отмечено ранее (см. стр. 443), следует ожидать, что
всегда, когда фотосинтез лимитируется или замедляется из-за «голо-
дания», т. е. в результате медленного течения предварительной тем-
новой реакции, будет меняться состав хлорофиллового комплекса;
светочувствительная форма будет истощаться, kt вследствие этого
будет уменьшаться и <р соответственно увеличиваться, если одновре-
менно не будет увеличиваться и притом настолько сильно, чтобы
ее увеличение с избытком компенсировало уменьшение kt (см. уравне-
ние (28.51)). Если же фотосинтез лимитируется или замедляется в ре-
зультате медленности завершающей темновой реакции, то состав хло-
рофиллового комплекса не меняется и выход флоуресценции также
не обнаруживает никаких изменений, при условии, что последние не
будут внесены косвенным путем, в результате «самонаркотизации»,
постулированной Франком.
Здесь следует вспомнить, что, согласно критерию, который мы
установили для того, чтобы различать предварительные и завершаю-
щие темновые реакции (см. стр. 443), медленное возвращение фото-
химически измененной формы хлорофиллового комплекса в нормаль-
ную светочувствительную форму нужно считать предварительной
реакцией, так как ее медленность уменьшает скорость первичнсго
фотохимического процесса. Это определение сохраняет свое значение
независимо от того, происходит ли такое возвращение путем прямой
реакции с окислителем {АСО2} или с восстановителем ({А'Н2О} или
H2R для пурпурных бактерий), путем реакции с промежуточным
катализатором (28.416) или посредством первичной обратной реакции
(28.41«')- Многие из рассмотренных нами механизмов светового на-
сыщения включают в себя переход хлорофиллового комплекса на
сильном свету в измененную (таутомерную, окислению, восстановлен-
ную, оголенную или наркотизированную) форму. Накопление этой
формы, которая, по нашему предположению, фотохимически инертна
(7 = 0), считается причиной изменений выхода флуоресценции, на-
блюдаемых при сильном освещении. В дальнейшем мы будем обо-
значать эту форму в виде {СЫ}. Если квантовый выход флуоресцен-
ции для светочувствительной формы хлорофиллового комплекса бу-
дет <?р а для неактивной формы {Chi}—<р2 и коэффициенты по-
глощения (так же как и пространственное распределение) этих форм
Световой фактор. Интенсивность
505
будут одинаковыми, тогда наблюдаемый выход флуоресценции (y—F/I;
число испускаемых квантов на один поглощенный квант) выразится
следующим уравнением:
? = ?i + ('P2 — ?i) f{fдо}-' •	(28.51Л)
Световые кривые выхода флуоресценции ф=/(/я) являются, таким
образом, линейными производными функции [{СЫ}] =/(/о). На прак-
тике в качестве независимой переменной мы используем интенсивность
падающего света, /; так как мы предполагаем наличие равномерного
поглощения света, т. е. оптически тонкую систему, то получаем (см.
уравнение (28.33)) /a = fe*/Chl0. Соотношение между кривой интен-
сивности флуоресценции F=f(Jri) и кривой выхода флуоресценции
<р=/(/о) выразится следующим образом:
= <?4 = Т1/о + (<р2 - ?1)	(28.515)
(/о — поглощенный световой поток; F—флуоресценция; I—-выра-
жается в эйнштейнах на 1 см2 в 1 сек.; СЫ0— в молях на 1 л).
Легко вывести выражение для световых кривых выхода флуорес-
ценции, используя те из разобранных выше кинетических моделей,
в которых световое насыщение приписывается медленному течению
предварительной темновой реакции (в это определение включаются
также реакции восстановления хлорофиллового комплекса после его
фотохимического изменения).
Начнем со случая, в котором сильное освещение вызывает нако-
пление хлорофиллового комплекса в форме, лишенной двуокиси угле-
рода (А  СЫ • А'НзО), или в форме, полностью восстановленной
(НХ • СЫ • HZ) вследствие малой скорости реагирования СО2 с акцеп-
тором А или с восстановленным промежуточным продуктом НХ. Здесь
может быть использован простейший механизм этого типа (с большим
успехом, чем более сложные механизмы, подробно разобранные
в гл. XXXVII), а именно:
АСО2-СЫ • А'ЩО-^^-» А-СЫ-А/Н2О+{ОН}+{НСО2}; (28.51Ва)
А • СЫ • А'Н2О-4- СО2 АСО2 • СЫ • А'Н2О; (28.5156)
Х-СЫ-HZ	HX-Chl-HZ + lOH];	(28.51Га)
НХ • СЫ • HZ4-CO2 {НСО2} + X • СЫ • HZ.	(28.51Гб)
Стационарная концентрация [{СЫ}] (= [А • СЫ • А'Н2О] или
[НХ • СЫ • HZ[) будет:
[|СЫ|1=	<28-51Л)
506
Глава XXVIH
Для интенсивности света, при которой выход флуоресценции, <р,
равен арифметическому среднему от и ф2, получаем:
.	(28.51Д)
В этом частном случае фотосинтез достигает половинного насыщения
при той же интенсивности, что и флуоресценция. Скорость фотосин-
теза, согласно схеме (28.51В) или (28.51/^, равна
Р = £'**ZChl0/(A' [СО2] + k*I).
Значение скорости при насыщении равно: Вмако = Л'Chl0, что дает
для ц/ величину (28.51В).
Рассмотрим теперь случай, разобранный на стр. 459, в котором
световое насыщение обусловлено накоплением хлорофилла в восста-
новленной форме, НХ • Chi • HZ, вследствие медленности первичной
обратной реакции. Иначе говоря, мы принимаем механизм (28.21) и
предполагаем, что реакция (28.216) является практически мгновенной.
Это приводит нас, для простейшего случая, когда равновесие карбо-
ксилирования не нарушается фотосинтезом, к уравнению (28.28) для
скорости Р и уравнениям (28.30) и (28.31) — для полунасыщающей
интенсивности света. Концентрация хлорофиллового комплекса в не-
активной форме дается в этом случае уравнением (28.26). Средняя
точка интервала перехода флуоресценции опять совпадает с полу-
насыщением фотосинтеза.
Далее мы можем рассмотреть механизм (28.41), для упрощения
предполагая, что присоединение СО2 и Н2О происходит мгновенно.
В этом механизме световое насыщение объясняется соединенным дей-
ствием медленной регенерации катализатора Ев (предполагается, что
этот катализатор стабилизирует первый восстановленный продукт НСО^
и медленной первичной обратной реакции (28,41а'). Уравнение для
концентрации неактивного хлорофиллового комплекса будет в этом
случае квадратным. Одно из действительных решений этого уравне-
ния представится в следующем виде:
[{Chl}]( = [AHCO2 • Chi • А'НО]) =
k'.k’e + *ХЕв- V*z Chlo+ *XZ I
—	2ke(k' + k*I)	+
, r/A'A'+AXEB-V*Zchlo + A>Z^ i *>ZChlof/2
+ Ц	2Ae (k' + k*I)	) ' ke ik' + A*/) J
Средняя точка перехода флуоресценции будет:
у k'k'e + fee<EB + kek' chlo/2
’ “ A* (k'e + ke Chl0/ 2)
(28.51ЛГ)
(28.513)
Световой фактор. Интенсивность
507
Как и следовало ожидать, средняя точка совпадает с полунасыщением
фотосинтеза (уравнение (28.47А)) только в случае £е^Э>йеСШс, когда
уравнение (28.513) сокращается до (28.475а). *1 отличается от 1Г1,
если имеет место лимитирование по Ев, т. е. когда ks не ~^>ke Chl0.
В другом крайнем случае, когда ke ke СЫ0, мы имеем
р k ЛЗД + k'k ChL/2
Г _ е в В 1 в О'
12 —	**А:еСЫ0/2
(28.51//)
Сравнение с уравнением (28.473) показывает, что в этом случае
л- р / k'k'&L + k'k ChL\
= *j( 1 -J—LAil-\
(28.51/0
иначе говоря, полунасыщение флуоресценции происходит позже (фак-
тически гораздо позже, так как ke СЫ0 2k'), чем полунасыщение
фотосинтеза.
Наконец, мы можем вывести уравнения для <р и ®}/, исходя из
«наркотизационного» механизма (28.47А). Фотостационарная концен-
трация «наркотизированного» хлорофилла [{Chi}] будет:
[[СЫ!]	feV°B-(fe-2)fe*ZChl0 + <Chl0
'	2(fe-l) (<+**/)
rzWEOB-(fe-2)WChlo + <Chlox2 WChl2 lJ/2
T L'.	2(fe-i)(< + fe*/)	)	J
где k имеет значение, определяемое уравнением (28.473а). Это урав-
нение превращается в [{СЫ}] = 0 при /=0 и в [{СЫ}] = СЫ0 при
/=оо. Уравнение для средней точки перехода флуоресценции,
[{Chi}] = !/2 СЫ0, будет следующим:
у СЫ0<(й+1) + 2^Е0
’— k* (k + 1) Chl0
(28.51 AT)
Сравнение с уравнением (28.48) показывает, что флуоресценция может
стать полунасыщенной раньше или позже, чем фотосинтез, в зависи-
мости от того, будет ли
=	или >1.	(28.51//)
Флуоресценция является полунасыщенной, когда [{СЫ}] = /г СЫ0;
фотосинтез является полунасыщенным, при данной модели, когда
[ЕВОН] = ‘/2Е«. Эти два условия удовлетворяются при одной и той
же интенсивности света только если А=1.
508
Глава XXVHI
Вставляя в уравнение (28.515) различные выражения, полученные
нами для ({СЫ}], можно вывести уравнение кривых, представляющих
интенсивность флуоресценции как функцию интенсивности света.
Полученные уравнения будут уравнениями второй или третьей сте-
пени, откуда следует, что кривые	являются либо гипербо-
лами, либо кривыми третьего порядка. Они начинаются при / = 0,
с наклоном © и при высоких значениях / приближаются к наклону <р2
(см. нижнюю часть фиг. 201).
Несколько подобных экспериментальных кривых флуоресценции
уже были приведены в данной главе (см., например, фиг, 203, 217—222,
224). Однако нас больше интересуют кривые выхода флуоресценции,
<р =/(/), образцом которых может служить кривая в верхней части
фиг. 201. На фигуре видно, что критическая интенсивность /с, как
ее определяют Вассинк и его сотрудники (см. фиг. 201), совершенно
не совпадает со средней точкой *7; последняя расположена при зна-
чительно более высоких интенсивностях света.
Кривые выхода флуоресценции также часто являются гипербо-
лами. Так, например, гиперболами являются кривые, получаемые на
основании кинетических моделей, приводящих к уравнениям (28.51Д)
(медленная реакция с СО2) и (28.22) (медленная первичная обратная
реакция). Уравнения же (28.51^) (лимитирование вследствие недо-
статка Ев) и (28.51Л) («наркотизация») приводят к кубичным урав-
нениям для ©=/(/). Это обстоятельство представляет интерес в связи
с идеей Франка о «саморегулировании» фотосинтеза. Франк полагает,
что существует механизм наркотизации, который не влияет на фото-
синтез (и флуоресценцию) при слабом освещении, но почти внезапно
вступает в силу, если в завершающей темновой реакции не успевают
перерабатываться фотоперекиси, образующиеся в результате первич-
ного фотохимического процесса. При этом часть аппарата хлорофилла
выключается и образование фотоперекисей уменьшается до такого
количества, которое может быть переработано лимитирующей реак-
цией. Предположение о существовании подобного саморегулирующегося
механизма является весьма заманчивой гипотезой вследствие большой
важности, которую приобрели механизмы «обратного хода» и «серво-
механизмы» при попытках механической интерпретации и имитации
жизненных процессов. Если бы такой механизм существовал в дей-
ствительности, кривые [{СЫ}] =/(/), а вместе с ними также кривые
должны были бы иметь сигмообразную форму, представлен-
ную пунктирной линией на фиг. 201.
Выше было указано, что полунасыщение флуоресценции будет
происходить одновременно с полунасыщением фотосинтеза в том слу-
чае, если последнее соответствует моменту, когда половина всех хло-
рофилловых комплексов находится в неактивном состоянии. Так обстоит
дело, например, тогда, когда насыщение вызывается недостаточным
поступлением двуокиси углерода (или других реагентов). Если же
насыщение обусловлено замедленным удалением фотопродуктов от
Световой фактор. Интенсивность
509
хлорофилла, например при недостатке катализатора Ев в механизме
(28.41), то мы можем ожидать, что полунасыщение флуоресценции
потребует более интенсивного света, чем полунасыщение фотосинтеза.
Д'ак, повидимому, и следует объяснять кривые на фиг. 200 (лист
Hydrangea), где полунасыщение для ср происходит около
6 • 103 эрг/см2  сек, а для Р—около 30 • 10s эрг/см2  сек.
Рассмотрим вкратце некоторые экспериментальные результаты
в свете изложенных выше теоретических соображений (см. фиг. 198—
225). Наблюдаемые иногда случаи светового насыщения фотосин-
теза, без соответствующего изменения выхода флуоресценции (наи-
более яркий пример — фиг. 198), должны указывать, что насыщение
вызвано завершающей темновой реакцией, которая не влияет на со-
став хлорофиллового комплекса ни прямо, ни косвенно (посредством
образования «наркотика»). Это может быть примером чистого лими-
тирования катализатором В и насыщения в результате вторичных
обратных реакций. Спрашивается, будет ли наблюдаться при этих
условиях изменение ср при более высокой интенсивности света в районе
насыщения, т. е. тогда, когда первичный процесс становится на-
столько быстрым, что одна из предварительных реакций не может
поспевать за ним. Ответ на этот вопрос может зависеть от того,
дают ли обратные реакции продукты, пригодные для непосредствен-
ного использования при первичном фотохимическом процессе, или
продукты, которые предварительно должны подвергнуться медленным
каталитическим изменениям. Например, если обратной реакцией будет
АНСО2 + А'НО -> АСО2 + А'Н2О	(28.52)
или
АНСО2 • СЫ • А'НО -> АСО2 • Chi • А'Н2О (28.53)
и если не произошло истощения светочувствительной формы к тому
моменту, когда из-за недостатка Ев наступает световое насыщение,
то нет оснований думать, что это истощение должно произойти при
дальнейшем увеличении интенсивности света, так как продукты обрат-
ной реакции готовы опять участвовать в первичной фотохимической
реакции. На опыте усиление флуоресценции при интенсивностях
света, выше насыщающей, наблюдалось в ряде ранее разобранных
случаев. Это можно объяснить, предполагая, как это делает Франк,
что обратная реакция в результате освобождения большого количе-
ства энергии вызывает обратное течение не только первой окисли-
тельно-восстановительной реакции, но также и реакции карбоксили-
рования:
АНСО2 + А'НО -> А + СО2+ А'Н2О
(или АН-СО2+ А'4-Н2О)	(28.54)
или
АНСО2 • Chi • А'НО -> А  СЫ • А'НаО + СО2
(или А • СЫ • А'4-СО24-Н2О).	(28.55)
510
Г лаб a XXVIII
В этом случае продукты обратной реакции увеличивают запас сво-
бодной двуокиси углерода и воды, а не количество субстратов для
первичного фотохимического процесса, АСО2 и А'Н2О, которые могут
быть немедленно использованы.
Вспомним, что эта гипотеза впервые была предложена Франком
для объяснения совершенно другого явления—«бурного» выделения СО2,
иногда наблюдаемого в первые минуты освещения (см. т. I, стр. 216
и гл. XXIX настоящего тома).
Если выход флуоресценции повышается при увеличении интен-
сивности освещения (см. фиг. 199) и достигает нового постоянного
значения «2 в области светового насыщения.фотосинтеза (см. фиг. 200),
то это можно считать указанием на то, что причиной насыщения
является предварительная темновая реакция. Отсюда ясно, почему
в опытах Мак-Алистера, представленных на фиг. 199, подобное
изменение наблюдалось при недостатке двуокиси углерода и не имело
места при 5°/0 СО2.
Результаты, полученные Вассинком и Керстеном при работе
с Nitzschia (см. фиг. 202), вызывают недоумение. Тот факт, что при
увеличении интенсивности освещения выше 50 - 103 эрг j см?  сек
® уменьшается, а не увеличивается, формально можно объяснить,
предполагая, что накопляющаяся в этом организме во время интен-
сивного фотосинтеза форма хлорофиллового комплекса обладает более
высоким значением k{ (т. е. более быстро рассеивает энергию), так
что сумма kt-]~kf увеличивается на сильном свету, даже если kt
приближается к нулю. Более трудно поддается объяснению то, что
в отсутствие двуокиси углерода диатомовые водоросли сохраняют
высокий выход флуоресценции на сильном свету, тогда как на пер-
вый взгляд можно было бы ожидать, что в этом случае с самого
начала должно преобладать более низкое значение. Рассматривая
влияние [СО2] на световые кривые флуоресценции, мы уже указывали,
что экспериментальные кривые на фиг. 202 было бы легче понять,
если бы вместо обозначения «в отсутствие СО2» стояло «в отсут-
ствие внешней СО2».
Что касается пурпурных бактерий, то здесь, повидимому, для
объяснения световых кривых флуоресценции требуются некоторые
дополнительные данные. Прежде всего нуждается в объяснении низ-
кое значение 9 при слабом освещении (сигмообразная форма). Воз-
можно, что это связано с происходящим при слабом фотосинтезе
замещением внешних восстановителей на внутриклеточные водородные
доноры. Совпадение двух кривых на фиг. 203, повидимому, указы-
вает на то, что если фотосинтез задерживается из-за отсутствия
восстановителей, то либо хлорофилл накапливается в одной и той
же форме в присутствии и в отсутствие двуокиси углерода, либо
две его формы (например, НХ • BChl • Z и X • ВСЫ • Z), накапливаю-
щиеся при этих условиях, имеют практически одинаковую скорость
диссипации энергии, Наоборот, при наличии восстановителей две
Световой фактор. Интенсивность
511
формы, накапливающиеся в присутствии и в отсутствие двуокиси
углерода (возможно, X • ВСЫ • HZ и НХ • ВСЫ • HZ), обладают весьма
различной способностью к флуоресценции. Однако по мере того как
интенсивность освещения увеличивается, начинают происходить даль-
нейшие изменения в составе комплекса, которые приводят к пере-
крещиванию кривых, получающихся в присутствии и в отсутствие
СО2. Фиг. 205—209 подтверждают, что отсутствие восстановителей,
независимо от наличия или отсутствия СО2, вызывает накопление
формы, обладающей значительно повышенной способностью к флуо-
ресценции (может быть, X • ВСЫ • Z или АСО2 • ВСЫ • А').
Другое, альтернативное объяснение действия восстановителей на
флуоресценцию может быть дано на основании гипотезы Франка
о самонаркотизации. Франк предполагает, что такие восстановители,
как водород или тиосульфат, участвуют в бактериальном фотосин-
тезе, восстанавливая фотоперекиси, образующиеся при первичном
фотохимическом процессе. Если восстановителей слишком мало, пере-
киси накапливаются и производят «наркотик», который закрывает
хлорофилл, вызывая этим усиление флуоресценции. Отсутствие СО2
меньше влияет на бактерии, так как последние изучаются в анаэроб-
ных условиях, исключающих фотоокисление. Вассинк, Катц и сотруд-
ники [152, 158, 162] объяснили действие восстановителей, предполо-
жив, что «акцептор энергии», способный к восприятию световой энергии
от бактериохлорофилла и, следовательно, тушащий его флуоресцен-
цию, может образовываться исключительно посредством каталитиче-
ского превращения восстановителей. Отсюда следует, однако, что СО2
совсем не должна влиять на флуоресценцию; между тем опыты по-
казывают, что дело обстоит не так.
Влияние на флуоресценцию и фотосинтез цианида и низкой тем-
пературы часто можно объяснить, предполагая, что основное дей-
ствие этих факторов заключается в замедлении процессов снабжения
двуокисью углерода. Однако выше мы видели, что не все экспери-
ментальные данные по ингибированию фотосинтеза цианидом согла-
суются с этим простым объяснением. То же относится и к измерениям
флуоресценции. Неясно, например, почему для заметного подавления
флуоресценции нужна гораздо более высокая концентрация цианида,
чем для ингибирования фотосинтеза. Эти данные и результаты, полу-
ченные с другими ядами и наркотиками, нуждаются в объяснениях,
которые мы, однако, в настоящее время не можем обосновать, а по-
тому предпочитаем от них воздержаться. Параллельные измерения
газообмена* и флуоресценции в присутствии различных ингибиторов
представляют собой, повидимому, многообещающий способ для вы-
яснения сложных процессов, происходящих в светочувствительном
хлорофилловом комплексе, однако имеющиеся в нашем распоря-
жении экспериментальные данные такого рода едва ли достаточны
для того, чтобы попытаться их использовать для этой цели уже
теперь.
512
Глава XXVIII
Франк, которому мы обязаны введением основных понятий по
флуоресценции и рациональным применением этих понятий к изуче-
нию фотосинтеза, написал два обзора на эту тему [161, 163]. Эти
обзоры содержат многочисленные экспериментальные данные и ин-
терпретации, которые мы в своем изложении, конечно, полностью
не охватили.
ЛИТЕРАТУРА
Световые кривые фотосинтеза
1.	Волков A., Jahrb. wiss. Botan., 5, 1 (1866).
2.	Berthold О., Mitt. zool. Station Neapel, 3, 393 (1882); Jahrb. wiss. Botan.,
13, 569 (1882).
3.	Reinke J., Botan. Z., 41, 697, 713, 732 (1883).
4.	Sachs J., Arb. botan. Inst. Wtirzburg, 3, 1 (1884).
5.	Ewart A. J., J. Linnean Soc. Botany, 31, 364 (1896).
6.	Ewart A. J., Ann. Botany, 11, 439 (1897).
7.	Ewart A. J., Ann. Botany, 12, 363 (1898).
8.	Oiltay E., Ann. jardin botan. Buitenzorg, 15, 43 (1898).
9.	PantanelU E., Jahrb. wiss. Botan., 39, 167 (1903).
10.	Weis F., Compt. rend., 137, 801 (1903).
11.	Blackman F. F., Matthaei O. L. G., Proc. Roy. Soc. London, WI6, 402
(1905).
12.	Oilmans F., Morphologie und Biologie der Algen, Fischer, Jena, Vol. II, p.
144, 190 (1905).
13.	Brown H. T., Escombe F„ Proc. Roy. Soc. London, B76, 29 (1905).
14.	Любименко В. H., Rev. gen. botan., 17, 381 (1905).
15.	Любименко В. H., Compt. rend., 145, 1347 (1907).
16.	Любименко В. H., Ann. sc. natur. Geneve, (9), 7, 321 (1908).
17.	Любименко В. H., Rev. gener. botan., 20, 162, 253, 285 (1908).
18.	Blackman F. F., Smith A. M., Proc. Roy. Soc. London, B83, 389 (1911).
19.	Kniep H., Intern. Rev. ges. Hydrobiol. Hydrog., 7, 1 (1914).
20.	Пуриевич К., Зап. Киевск. о-ва естествоисп., 23 (1913).
21.	Piitter A., Naturwissenschaften, 2, 169 (1914).
22.	Brown W. Н., Heise G. W., Philippine J. Sci., C12, 1, 85 (1917).
23.	Plaetzer H., Verhandl. phys.-med. Ges. Wtirzburg, 45, 31 (1917).
24.	Boysen-Jensen P., Botan. Tid., 36, 219 (1918).
25.	Brown W. H„ Heise G. W., Philippine J. Sci., C13, 345 (1918).
26.	Henrici M., Verhandl. naturforsch. Ges. Basel, 30, 43 (1918).
27.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen liber die Assimilation der Kohlensa-
ure, Springer, Berlin, 1918.
28.	Warburg 0., Biochem. Z., 100, 230 (1919).
29.	McLean F. T„ Ann. Botany, 34, 367 (1920).
30.	Harder R., Jahrb. wiss. Botan., 60, 531 (1921).
31.	Lundegardh H., Svensk botan. Tid., 15, 46 (1921).
32.	Lundegardh H., Biol. Zentr., 42, 337 (1922).
33.	Warburg O., Negelein E., Z. physik. Chem., 102, 246 (1922).
34.	Harder R„ Ber. deut. botan. Ges., 41, 194 (1923).
35.	Harder R., Z. Botan., 15, 305 (1923).
36.	Warburg O., Negelein E., Z. physik. Chem., 106, 191 (1923).
37.	Bose J. C., Physiology of Photosynthesis, Longmans, Green, London, 1924.
38.	Harder R., Jahrb. wiss. Botan., 64, 169 (1924).
39.	Lundegardh H., Medd. Centralanst. FOrsokwas. Jordbruksomr. Medd., № 331
(1924).
Световой фактор. Интенсивность
513
40.	Maucha R., Verhandl. Intern. Ver. Litnnologie, II, 2, 381 (1924).
41.	Dastur R. H., Ann. Botany, 39, 769 (1925).
42.	Johansson N., Svensk botan. Tid., 20, 107 (1926).
43.	Ruttner F., Intern. Rev. ges. Hydrobiol. Hydrog., 15, 1 (1926).
44.	Spoehr H. A., Photosynthesis, Chemical Catalog Co., New York, 1926, p. 33.
45.	Костычев С., Базырина К., Васильев Г., Biochem. Z., 182, 79 (1927).
46.	Marshall S. M., Orr A. P., J. Marine Biol. Assoc. United Kingdom, 14,
837 (1927).
47.	Maucha R., Intern. Rev. ges. Hydrobiol. Hydrog., 18, 388 (1927).
48.	Костычев С., Базырина К., Чесноков В., Planta, 5, 696 (1928).
49.	Ghosh J. C., Jahrb. wiss. Botan, 69, 572 (1928); J. Dept. Set. Univ. Cal-
cutta, 9, 12 (1928).
50.	Любименко В. H., Rev. gen. botan., 40, 415, 486 (1928).
51.	Marshall S. M., Orr A. P., J. Marine Biol. Assoc. United Kingdom, 15, 321
(1928).
52.	Максимов H. А., и Красносельская-Максимова T. A., Ber. deut. botan.
Ges., 46, 383 (1928).
53.	Muller D., Planta, 6, 22 (1928).
54.	Yoshil Y., Planta, 5, 681 (1928).
55.	Беляков E., Planta, 8, 269 (1929).
56.	Boysen-Jensen P., Dansk. Skowfor. Tidsk., 5 (1929).
57.	Boysen-Jensen P., Muller D„ Jahrb. wiss. Botan., 70, 493 (1929).
58.	Boysen-Jensen P„ Muller D., там же., 70, 503 (1929).
59.	Любименко В. Н. и Тиховская 3. П., Архив биолог, станции АН СССР,
Севастополь, 1, 153 (1929).
60.	Emerson R„ J. Gener. Physiol., 12, 623 (1929).
61.	Иванов Л. А. и Коссович Н. Л., Planta, 8, 427 (1929).
62.	Ehrke G„ Planta, 9, 631 (1929).
63.	Montfort C., Jahrb. wiss. Botan., 71, 52, 106 (1929).
64.	Montfort C., Jahrb. wiss. Botan., 72, 776 (1930).
65.	Van der Honert T. H., Rev. trav. botan. neerland., ЧС1, 149 (1930).
66.	Костычев С., Берг. В., Известия АН СССР, сер. VII, 6 (1930).
67.	Костычев С., Чесноков В., Базырина К., там же, сер. VII, 6 (1930).
68.	Костычев С,, Кардо-Сысоева Н., там же, 11, 117 (1930).
69.	Lundegardh Н„ Klima und Boden in Ihrer Wlrkung auf das Pflanzenleben,
2nd ed., Fischer, Jena, 1930.
70.	Ehrke G., Plante, 13, 221 (1931).
71.	Stocker O., Ber. deut. botan. Ges., 49, 267 (1931).
72.	Boysen-Jensen P., Stoffproduktion der Pflanzen, Fischer, Jena, 1932.
73.	Harder R., Filzet P., Lorenz A., Jahrb. wiss. Botan., 75, 45 (1932).
74.	Чесноков В., Базырина К., Тр. биол. ин-та, Петергоф, 9, 103 (1932).
75.	Hiramatsu К., Science Repts. Tohoku Imp. Univ. [II], 7, 239 (1932).
76.	Muller D„ Planta, 16, 1 (1932).
77.	Van der Paauw F„ Rev. trav. botan. neerland., 29, 497 (1932).
78.	Wood J. G., Australian J. Exptl. Biol. Med. Sci., 10, 89 (1932).
79.	Boysen-Jensen P., Planta, 21, 368 (1933).
80.	Hoover W. H., Johnston E. S., Brackett F. S., Smithsonian Inst. Pub.
Misc. Collections, 87, № 16 (1933).
81.	Курсанов А. Л., Planta, 20, 535 (1933).
82.	Montfort C., Biochem. z., 261, 179 (1933).
83.	Montfort C., Protoplasma, 19, 385 (1933).
84.	Harder R., Planta, 20, 699 (1933).
85.	Daxer H„ Jahrb. wiss. Botan., 80, 363 (1934).
86.	Emerson R., Green L., J. gener. Physiol., 17, 817 (1934).
87.	Emerson R., Green L„ Nature, 134, 289 (1934).
88.	Montfort C., Jahrb. wiss. Botan., 79, 493 (1934).
89.	Schomer H. A., Ecology, 15, 217 (1934).
33 Зак. 4040. E. Рабинович
Л14
Глава xxvtit
90.	Burk D., Lineweaver H.. Cold Spring Harbor. Symposia Quant. Biol., 3,
165 (1935).
91.	Brackett F. S., там же, 3, 117 (1935).
92.	Ashby E., Oxley T. A., Ann. Botany, 49, 309 (1935).
93.	Barker H. A., Arch. Mikrobiol., 6, 141 (1935).
94.	Благовещенский A. B., Planta, 24, 276 (1935).
95.	Gabrielsen E. K., Planta, 23, 474 (1935).
96.	Miller E. S., Burr G. 0., Plant Physiol., 10, 93 (1935).
97.	Singh B. N., Kumar K., Proc. Indian Acad. Sci., Bl, 754 (1935).
98.	Stocker O., Jahrb. wiss. Botan., 81, 464 (1935).
99.	Любименко В. H., Совет, ботаника, № 5, 31 (1936).
100.	Montfort С., Jahrb. wiss. Botan., 84, 1 (1936).
101.	Smith E. L., Proc. Nat. Acad. Sc., 22, 509 (1936).
102.	Stalfelt M. G., Planta, 27, 30 (1937).
103.	Curtis J. T., Juday C., Intern. Rev. ges. Hydrobiol. Hydrog., 35, 122
(1937).
104.	Franck J., Herzfeld K. F., J. Chem. Phys., 5, 237 (1937).
105.	French C. S., J. gener. Physiol., 20, 711 (1937).
106.	Gessner F., Jahrb. wiss. Botan., 85, 267 (1937).
107.	Kjar A., Planta, 26, 595 (1937).
108.	Monch J., Planta, 85, 50b (1937).
109.	Noddack W., Komor J., Angew. Chem., 50, 271 (1937).
Ц0. Smith E. L., J. gener. Physiol., 20, 807 (1937).
Ц1. Eymers J. G„ Wassink E. C., Enzymologia, 2, 258 (1938).
112.	Gessner F., Jahrb. wiss. Botan., 86, 491 (1938).
113.	Manning W. M., Juday C„ Wolf M„ J. Am. Chem. Soc., 60, 274 (1938).
114.	Smith E. L., J. gener. Physiol., 22, 21 (1938).
115.	Stocker O., Rehm S„ Paetzold J., Jahrb. wiss. Botan, 86, 556 (1938).
116.	Wassink E. C., Vermeulen D., Reman G. H., Katz E., Enzymologia, 5
100 (1938).
117.	Eichhoff H. J., Blochem. Z., 303, 112 (1939).
118.	Stalfelt M. G., Planta, 29, 11 (1939).
119.	Magee J. L., de Witt T. W., Smith E. C., Daniels F., J. Am. Chem. Soc.,
61, 3529 (1939).
120.	Noddack W., Eichhoff H. J., Z. physik. Chem., A185, 222 (1939).
121.	Petering H. G., Duggar В. M„ Daniels F., J. Am. Chem. Soc., 61, 3525
(1939).
122.	Stalfelt M. G., Planta, 30, 384 (1939).
123.	Wassink E. C., Katz E., Enzymologia, 6, 145 (1939).
124.	Gabrielsen E. K., Dansk Botansk Arkiv, 10, 1 (1940).
125.	Noddack W„ Kopp C., Z. physik. Chem., A187, 79 (1940).
126.	Riley G. A., Bull. Bingham Oceanogr. Coll., 7, (4), 1 (1941).
127.	Emerson R., Lewis С. M., Am. J. Botany, 28, 789 (1941).
128.	Franck J., Herzfeld K. F„ J. phys. Chem., 45, 978 (1941).
129.	Katz E., Wassink E. C., Dorrestein R., paper presented at Spectroscopy
Symposium, Chicago, 1941.
130.	Weller S„ Franck J., J. phys. Chem., 45, 1359 (1941).
131.	Katz E., Wassink E. C., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 269 (1942).
132.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., там же, 10, 285 (1942).
133.	Seybold A., Weissweiler A., Botan. Arch., 43, 252 (1942).
134.	Gabrielsen E. K., Yearbook Roy. Vet. and Agr. College Copenhagen, 28
(1942).
135.	Steeman-Nielsen E., Dansk Botanisk Arkiv, 11, № 2 (1942).
136.	Greenfield S. S„ Am. J. Botany, 29, 121 (1942).
137.	Emerson R„ Lewis С. M., Am. J. Botany, 30, 165 (1943)
138.	Kramer P. J„ Decker J. P„ Plant Physiol., 19, 350 (1944).
Световой фактор. Интенсивность	515
139.	Wassink Е. Н., Kersten J. А. М„ Enzymologia, 11, 282 (1945).
140.	French С. S„ Rabideau G. S., J. gener. Physiol., 28, 329 (1945).
141.	Franck J., Pringsheim P., Lad D. T., Arch. Biochem., 7, 103 (1945).
142.	Wassink E. C„ Enzymologia, 12, 33 (1946).
143.	Kok B., Enzymologia, 13, 1 (1948).
144.	Kok B„ Biochem. Biophys. Acta, 3, 625 (1949).
145.	Van der Veen R„ Physiol, plantarum, 2, 217 (1949).
146.	Bohning R. H., Plant Physiol., 24, 222 (1949).
147.	Steemann-Nielsen E., Physiol, plantarum, 2, 247 (1949).
148.	Ланская Л. А., Сивков C. H„ ДАН СССР, 67, 1147 (1950).
Световые кривые флуоресценции
149.	Kautsky Н., Hirsch A., DavidshOfer F., Ber. deut. chem. Ges., 65, 1762
(1932).
150.	Kautsky H., Spohn H., Biochem. Z., 274, 435 (1934).
151.	Kautsky H„ Hirsch A., Biochem. Z., 277, 250 (1935).
152.	Wassink E. C., Vermeulen D., Reman G. H., Katz E., Enzymologia, 5, 100
(1938).
153.	Wassink E. C., Katz E., Enzymologia, 6, 145 (1939).
154.	McAlister E. D., Myers J., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 99,
№ 6 (1940).
155.	Franck J., French C. S., Puck T. T., J. phys. Chem., 45, 1268 (1941).
156.	Katz E., Wassink E. C., Dorrestein R., cm. Spectroscopy Symposium, Chi-
cago, 1941.
157.	Katz E., Wassink E. C., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 269 (1942).
158.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., там же, 10, 285 (1942).
159.	Wassink E. C., Kersten J. A. H., Enzymologia, 11, 282 (1945).
160.	Shiau Y. G., Frank J„ Arch. Biochem., 14, 253 (1947).
161.	Frank J., The Relation of the Fluorescence of Chlorophyl to Photosynthesis,
cm. Photosynthesis in Plants, Jowa State College Press, Ames, Jowa, 1949,
p. 293.
162.	Katz E., Chlorophyll Fluorescence as Energy Flowmeter for Photosynthesis,
там же, p. 287.
163.	Franck J., Ann. Rev. Biochem., 1951 (в печати).
164.	French C. S., Koski V. M., Proc. Soc. Exptl. Biol., 1951 (в печати).
Глава XXIX
СВЕТОВОЙ ФАКТОР. МАКСИМАЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ
ВЫХОД ФОТОСИНТЕЗА
Анализируя световые кривые фотосинтеза (см. гл. XXVIII), мы
не обсуждали вопроса о наклоне начальной части кривой. Эта вели-
чина является особо важной количественной характеристикой про-
цесса, определяющей максимальный квантовый выход фотосинтеза
и максимальное превращение света в химическую энергию, до-
стигаемые в этом процессе. Настоящая глава посвящена этим двум
вопросам.
При определении максимального квантового выхода как предель-
ной величины наклона световой кривой при малых интенсивностях
света подразумевается, что эта кривая не имеет перегиба. Перегиб
часто наблюдается у световых кривых пурпурных бактерий, но обычно
принято считать, что это осложнение не встречается у световых кри-
вых водорослей и высших растений. Некоторые недавние наблюдения
[42, 48, 49] приводят, однако, к новым сомнениям относительно вида
световой кривой ниже компенсационного пункта. Далее в этой главе
мы обсудим эти наблюдения и их возможное значение для определе-
ния максимального квантового выхода.
Если выход фотосинтеза, Р, выражается в молях восстановленной
двуокиси углерода или выделившегося кислорода, а поглощение света, 1а,
дано в эйнштейнах поглощенных фотонов, то отношение 7 = Р{1а
является квантовым выходом. Во многих статьях по фотосинтезу и
фотохимии квантовый выход выражается буквой <р, которой мы обо-
значили квантовый выход флуоресценции (см. т. I, стр. 555).
Если выход измеряют по содержанию энергии (теплоте сгорания)
в образуемых углеводах^ — ДНе, а 1а— в калориях, то отношение
е = — A//C/Ai можно назвать коэффициентом превращения энергии.
Соотношение между у и е имеет следующий вид:
• =	= 3,96 • Ю-з ~ 4 . 10-8(29.1)
где Д//,„— молярная теплота сгорания одной {СН2О} группы в угле-
водах (около 112 ккал, или 4,69 • 10-12 эргу, NA — число Авогадро
(6,02  1023); h — постоянная Планка (6,55 • 10“27); v — частота света
(3,00 • 10‘7/^).
Концепция «квантового выхода» фотохимического процесса воз-
никла в результате применения Эйнштейном (в 1913 г.) квантовой
теории к фотохимии. Развивая представления Планка о квантах
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
517
колебательной энергии электронов в атомах и молекулах, Эйнштейн
предположил, что световая энергия состоит из определенных квантов
(фотонов). Отсюда он вывел, что число фотохимически измененных
молекул, N, при поглощении определенного количества света должно
быть равно числу поглощенных фотонов, ЛАд., (закон фотохимической
эквивалентности Эйнштейна). В течение последующих лет быстро
накапливающиеся данные по измерению скорости фотохимических
реакций позволили установить, что принцип Эйнштейна применим
лишь к первичному фотохимическому процессу, тогда как наблюдае-
мая суммарная скорость фотохимической реакции обычно зависит от
эффективности вторичных реакций, следующих за первичным фото-
химическим актом. Таким образом, измерение суммарной скорости
реакции лишь редко приводит к прямому подтверждению закона
эквивалентности; иными словами, эмпирическая величина квантового
выхода обычно меньше или больше единицы.
Фотосинтез как наиболее важный фотохимический процесс в при-
роде, естественно, рассматривали с точки зрения его квантового вы-
хода. Эта проблема казалась особенно интересной вследствие сильно
эндотермического характера фотохимической реакции. Нетрудно было
подсчитать, что одного кванта видимого света, с доступной энергией
40—60 ккал!эйнштейн, недостаточно, чтобы превратить 1 молекулу
двуокиси углерода и 1 молекулу воды в. звено углеводной цепи и
молекулу кислорода, так как на это превращение требуется около
112 ккал‘моль. Было очевидно, что для восстановления 1 молекулы
двуокиси углерода требуется затрата нескольких квантов света.
Нужно было поэтому определить наименьшее число квантов света,
необходимое для восстановления молекулы углекислоты, так как
с точки зрения механизма реакции для нас наиболее интересна ма-
ксимальная величина квантового выхода, достижимая при наиболее
благоприятных условиях.
Согласно уравнению (29.1), ответ на этот вопрос подразумевает
также определение наибольшей эффективности превращения расте-
ниями энергии света в химическую энергию. В предыдущей главе
мы уже описали несколько исследований, в которых был измерен
выход этого превращения в течение значительного периода времени;
было сделано заключение, что при естественных условиях это до-
вольно малая величина — порядка 2—5%.
Однако известно, что кривые светового насыщения фотосинтеза
выпуклы (см. гл. XXVIII, первый раздел); кривизна их иногда стано-
вится заметной даже при низкой интенсивности света. Это значит,
что чем меньше интенсивность света, тем выше эффективность пре-
вращения энергии и квантовый выход. Варбург и Негелейн [2] опи-
сали способ определения максимального квантового выхода путем
его измерения при очень низкой интенсивности света. Их работа
явилась началом нового этапа в количественном исследовании фото-
синтеза,
518
Глава XXIX
Величину, обратную квантовому выходу *, называют квантовым
расходом. К сожалению, первый термин часто применяется там, где
следует применять второй: говорят, например, «квантовый выход фо-
тосинтеза равен 4» (илн 8, или какому-либо другому числу, где
п > 1), вместо того чтобы сказать 1/t (или ’/в» или> вообще, 1’п).
Измерение квантового выхода манометрическим
методом
Большая часть определений квантового выхода фотосинтеза про-
водилась посредством манометрического метода, описанного в гл. XXV
(см. фиг. 128). При этом способе измеряется изменение давления
газа сначала над затемненной, а затем над освещаемой клеточной
суспензией. Наблюдаемая разность давлений является результатом
выделения и поглощения углекислоты и кислорода. Если дыхательный
коэффициент и фотосинтетический коэффициент равны единице, то
изменения давления могут быть вызваны только тем, что двуокись
углерода обладает большей растворимостью в воде (и еще большей —
в щелочных растворах), чем кислород. Чтобы проверить величину
этих двух коэффициентов, измерение можно повторить в темноте и
на свету с различными соотношениями объемов газа и жидкости
в сосудах (см. фиг. 129).
Исследования Варбурга и Негелейна. Варбург и Негелейн [2,3]
первыми применили манометрический метод. Они работали с суспен-
зиями одноклеточной зеленой водоросли Chlorella (эта разновидность
была описана ими как Chlorella vulgaris, но в дальнейшем возникли
сомнения, не была ли это С. pyrenoidosa). Чтобы избежать трудности
измерения поглощения света растениями вследствие рассеяния (см.
гл. XXII), авторы применили густые суспензии, поглощающие практи-
чески весь падающий свет. Следовательно, в каждый данный момент
большая часть клеток была затенена и их участие в фотосинтезе
было малым, между тем как все они одинаково участвовали в дыха-
нии. По этой причине, а также вследствие того, что применялась
малая интенсивность света (порядка 1 000 эргулР • сек), общий объем
газообмена дыхания был больше, чем объем газообмена фотосинтеза;
иными словами, Варбург и Негелейн работали ниже компенсацион-
ного пункта. Они отметили, что длительное освещение заметно сти-
мулировало дыхание Chlorella (см. т. I, стр. 573). С тем чтобы
избежать такого изменения дыхания в течение опыта, Варбург при-
менял периоды освещения не более 10 мин., чередующиеся с равными
или большими периодами темноты. Вследствие медленного ответа
манометра на изменение концентрации газа в жидкости измерение
* То есть число квантов, расходуемых на восстановление 1 молекулы
СО2 или выделение 1 молекулы О2.— Прим, ред.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 519
газового обмена обычно требует интерполяции, показанной на фиг. 226.
Неточность результатов, вызываемая этой интерполяцией, не суще-
ственна при длительных периодах освещения, но может заметно влиять на
результаты коротких, 5- или 10-минутных опытов. Кроме того, при
коротких периодах освещения усиливаются индукционные явления.
На основании своих прежних 'работ Варбург знал (см. гл. XXXIII),
что индукционная потеря, т. е. задержка установления фотосинтети-
ческой активности, может происходить после темновых периодов
порядка нескольких
фект исчезает, если
минут; однако он также знал, что этот эф-
интенсивность света падает значительно ниже
области насыщения. Так как
в работе по определению кван-
тового выхода применялась
очень низкая интенсивность
света, то Варбург допустил, 5J
что индукционными эффектами J
можно пренебречь. Впослед- §
ствии Эмерсон и Льюис [16, =4
17, 23, 24] обнаружили индук-
ционный эффект иного рода,
а именно: эффект фотохимиче-
ского выделения двуокиси угле-
рода в течение первых минут
освещения. Это «бурное» вы-
деление, или «вспышка», дву-
окиси углерода не исчезает при
снижении интенсивности света
и может иметь особую важность
при измерениях в очень слабом
О 5	10	15	20	25	30
Время, мин
Фиг. 226. Манометрическое определе-
ние квантового выхода [18]. Сплошная
линия — действительный ход фотосин-
теза и дыхания, пунктирная линия —
изменение давления по манометру.
КН— интерполированный выход фото-
синтеза за 10 мин.
выделения двуокиси углерода, пред-
свете.
Объяснение этого «бурного»
ложенное Франком [31], уже было описано в т. I (стр. 173). Со-
гласно этой теории, выделение газа происходит вследствие разложе-
ния комплекса двуокись углерода — акцептор, АСО2, накапливающегося
в темноте. Это разложение связано с фотохимическим восстановлением
АСО2 до АНСО2 и обращением этого восстановления путем реакций,
показанных ниже (использованы обозначения, предложенные Франком):
{ ACO2-{-HChl }прямысевРтеакд--> { АНСО2 + СЫ } "Ар^-Р33^^
—> { HChl + АСОг выделен-ие^-> НСЫ + СО2 (29.2)
или (если использовать обозначения, принятые в гл. XXVIII):
асо2 • сш • а'н2о "р-^ру--^->- АНСО2 • СЫ  А^ОН^р^р63^-»
—> А'Н8О*СЫ • АСО*гвы”е-с-^-> А • СЫ • А' +
•а,- (29.2н)
520
Глава XXIX
Звездочки указывают на то, что соединения, образованные при
обратных реакциях, содержат значительный избыток энергии и по-
этому склонны разлагаться на свои составные части. В норме эти
Обратные реакции обычно происходят при световом насыщении (пред-
полагается, что они определяют явление насыщения), но в первые мо-
менты освещения практически весь образованный АНСО2, даже то
малое количество, которое образуется при слабом свете, претер-
певает обратное разложение, потому что в течение индукционного
периода катализаторы, управляющие процессом, еще не реактиви-
ровались и не способны справиться с продуктами первичной фото-
химической реакции.
Слабость этой гипотезы заключается в том, что даже при 100-
процентном выходе обратной реакции скорость образования АСО2
при низкой интенсивности света должна быть мала по сравнению со
скоростью его образования при интенсивностях значительно выше на-
сыщения. В этом случае предполагается, что все образующиеся в из-
бытке промежуточные продукты претерпевают обратную реакцию,
и все же, при- соответствующем снабжении, не наблюдается лимити-
рования двуокисью углерода. Это явление говорит о том, что либо
комплексы АСО2, образованные при обратной реакции, не диссо-
циируют, либо рекомбинация А и СО2 идет настолько быстро, что
препятствует исчерпанию АСО2; иными словами, предельная скорость
образования АСО2 должна быть высока по сравнению с полной ско-
ростью первичного фотохимического процесса, а не только по срав-
нению со скоростью конечной темновой реакции.
Общий объем «бурного» выделения газа (приблизительно эквива-
лентный количеству хлорофилла в клетке) находится в соответствии
с гипотезой Франка; но медленное поглощение двуокиси углерода
в темноте (см. фиг. 229) требует объяснения, поскольку ход этого
темнового поглощения (см. т. I, фиг. 27) указывает на то, что рав-
новесие карбоксилирования СО2-|-А—>АСО2 обычно устанавли-
вается за несколько секунд. Следует отметить, что с той же труд-
ностью встретились при попытке приписать подобному карбоксили-
рованию поглощение радиоактивной двуокиси углерода в темноте
(т. I, фиг. 26). Другая проблема возникает в связи с тем, что для
насыщения описанного выше «бурного» газовыделения необходима вы-
сокая концентрация углекислоты (5%), между тем как форма
кривых поглощения двуокиси углерода при фотосинтезе указывает
на то, что акцептор должен быть насыщен углекислотой при ее кон-
центрации ниже 0,1% СО2.
Эти несоответствия, возможно, свидетельствуют о том, что «бур-
ное» выделение двуокиси углерода и его обращение в темноте свя-
заны скорее с дыханием и ферментацией, чем с первой ступенью
фотосинтеза; это предположение, однако, в свою очередь, не может
объяснить очевидную тесную связь выделяющейся двуокиси углерода
С хлорофилловым комплексом (без такой связи трудно было бы
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 521
понять фотохимическое выделение двуокиси углерода, идущее с вы-
соким квантовым выходом). В работах Кальвина и его сотрудников
(см. гл. XXXVI) предполагается связь реакций дыхания и фотосин-
теза на промежуточном уровне восстановленности между СО2 (где
£ = 0) и углеводами (Л = 1), т. е. на уровне восстановленности*
щавелевоуксусной или яблочной кислоты (L = соответственно 0,625
и 0,75). В случае опытного подтверждения такой связи возможно
было бы объяснить, как фотохимические реакции могут влиять на
дыхательное декарбоксилирование.
Двуокись углерода, «бурное» выделение которой наблюдали Эмер-
сон и Льюис, в значительной мере поглощалась карбонатным буфер-
ным раствором. В соответствии с этим Варбург и Негелейн решили,
что кислый раствор (вода в равновесии с атмосферой, содержащей
5°/0 СО2) более пригоден для определения действительной величины
квантового выхода, чем «нефизиологические» щелочные буферы. Так
как лишь малая часть выделяющейся двуокиси углерода поглощается
чистой водой, а большая часть переходит в газовое пространство,
то последующее увеличение давления может быть интерпретировано
как результат фотосинтеза, хотя контрольное определение фотосин-
тетического коэффициента, Q^, указывает, что при этом выделяется
главным образом двуокись углерода, а не кислород. Следует отме-
тить (см. т. 1, стр. 35), что мы обозначили фотосинтетический коэф-
фициент символом Q.j, и определили его как (положительное) отно-
шение ДО^ДСО-з, тогда как Варбург и многие другие обозначают
фотосинтетический коэффициент буквой 7 (используя символ © для
квантового выхода) и определяют его как (отрицательное) отноше-
ние дсо2/доа.
Обнаружение Эмерсоном и Льюисом «бурного» выделения дву-
окиси углерода сделало недостоверной интерпретацию Варбурга и
Негелейна. Значение квантового выхода, близкое к 0,25, или J/4,
подсчитано Варбургом и Негелейном на основании изменения давле-
ния газа при экспозиции 10 мин., с допущением Q® = 1 (или, более
точно, 1,09). С первого взгляда кажется, что эти результаты хорошо
согласуются с тем, что восстановление двуокиси углерода водой
заключается в переносе четырех водородных атомов (см. т. 1, гл. III
и VII).
Если бы величина J/4 не была столь вероятна с химической точки
зрения, то больше внимания привлек бы тот факт, что столь высокий
выход можно получить лишь при определенной схеме опыта, в соче-
тании со специальными способами выращивания водорослей. Вначале,
применяя клетки Chlorella, выращенные при ярком свете, Варбург и
Негелейн получили величину квантового выхода <^0,06. Впоследствии
они нашли, что гораздо более высокий выход получается с суспен-
* О физическом смысле термина «уровень восстановленности» см. т. 1,
стр. 222. — Прим. ред.
52Z
Глава XXIX
зиями, адаптированными к слабому свету. Эти опыты проводились
в желтом и оранжевом свете; высокие значения у (до 0,3) были по-
лучены при экстраполяции до /=0, так как световые кривые
имели заметную кривизну даже в области интенсивностей ниже
1 000 эрг/см? • сек. При работе с монохроматическим светом [3] кри-
визна была менее выражена, что дало возможность Варбургу и Неге-
лейну подсчитать величину квантового выхода, не прибегая к экстра-
поляции. Эта величина лежала в пределах от 0,20 (в синем свете)
до 0,23 (в красном свете), что соответствует коэффициенту превращения
энергии о г 0,34 до 0,59. Наименьшее число квантов красного света,
достаточное для покрытия затраты энергии при реакции СО2-|-Н2О->
—> О2-|-{Н2СО}, равно 3; наименьшее вероятное число элементарных
стадий реакций равно 4, соответствуя переносу четырех водородных
атомов от воды к двуокиси углерода. Из результатов Варбурга и Не-
гелейна явствует, что растения способны осуществлять фотосинтез по-
средством не более четырех фотохимических стадий, оставляя при этом
лишь немного энергии для покрытия потерь при превращении энергии
в тепло, что, повидимому, неизбежно при сложном химическом про-
цессе.
Когда теоретики пытаются представить детальный механизм фото-
синтеза, приемлемый не только с точки зрения химии, но также и
с точки зрения энергетики, то возникают значительные затруднения
при ограничении процесса лишь четырьмя квантами света.
Франк и Герцфельд [26] указали, что если восстановление двуокиси
углерода происходит путем нескольких последовательных фотохи-
мических стадий (см. т. I, фиг. 20), то промежуточные продукты
должны обладать определенной степенью устойчивости, чтобы избежать
обратного окисления при «ожидании» следующего кванта световой
энергии. Следовательно, энергию, потребную для стабилизации не-
скольких промежуточных продуктов, следует прибавить к затрате
энергии, потребной для фотосинтеза. Должны быть также сделаны
дальнейшие допущения относительно теплоты образования комплекса
{СО2} и теплоты разложения перекиси, которая является вероятным
предшественником кислорода, выделяемого при фотосинтезе.
Энергетические соотношейия при фотосинтезе, в представлении
Франка и Герцфельда, показаны на фиг. 227. Энергия образования
комплекса двуокись углерода — акцептор, ДН^со2}, энергия стаби-
лизации трех промежуточных продуктов, ЬНц, ЬНц, и энергия
стабилизации конечных продуктов, Д//р (которая включает в себя
энергию разложения перекиси {Н2О2})> показаны в виде добавочных
энергетических уровней, которые вместе с аккумулируемой химиче-
ской энергией, ЬНс, должны быть обеспечены за счет энергии света.
Энергия стабилизации, потребная для предотвращения обратных
реакций промежуточных продуктов на протяжении нескольких минут
(т. е. на протяжении интервала времени между последовательными
актами поглощения двух квантов света одной и той же молекулой
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
523
хлорофилла, в густых суспензиях зеленых клеток, при слабом осве-
щении), должна быть порядка 10 ккал) молы, теплота образования
комплекса {СО2}, по вычислениям (см. гл. XXVII), 20 ккал!моль.
Все вместе — три промежуточных продукта, комплекс {СО2} и пер-
вичная перекись — должны увеличить потребность энергии для фото-
синтеза со 112 примерно до 210 ккал!моль, тогда как 4 эйнштейна
красного света (X = 660 жр) доставляют лишь 170 ккал]моль.
Потребность в энергии несколько иная, если постулируется «пира-
мидальный» механизм вместо «линейной» последовательности реакций,
показанной на фиг. 227, т. е. если принимается, что четыре кванта
___г{н2о2} + {н2со)
\&НР-45 ккал
Юккал
02+ {СН2О}+5Н20

ЛН^ Юккал
ЛНС = 112 ккал/моль
С02 + Н20
{С02} + Н20
/1^С02} ~20 ккал
ЛН^ - Юккал
Фиг. 227. Потребность в энергии при линейном четырехступенчатом меха-
низме фотосинтеза [25]. Общая потребная энергия ДЯ-|- йН0 + ДЯ(сог] +
ДЯ7 + ДЯ/3 ДЯ/3 4- ДЯР = 210 ккал) моль.
света образуют четыре одинаковые пары промежуточных продуктов,
претерпевающих дисмутацию путем темновых реакций, в результате
чего образуется одна пара конечных продуктов (см. т. I, стр. 161,
163 и 170). В этом случае четыре кванта, потребные для восстано-
вления одной молекулы двуокиси углерода, могут быть поглощены
четырьмя различными молекулами хлорофилла. Того же результата
можно достигнуть путем иного физического или химического меха-
низма, ведущего к «накоплению квантов», поглощенных разными
молекулами хлорофилла в одном «реакционном центре». В этом слу-
чае общая потребность в энергии получается путем добавления к ве-
личине аккумулированной энергии (112 ккал/моль) приблизительно
20 ккал!моль, выделяющихся при образовании комплекса {СО2},
а также энергии, выделяющейся при различных дисмутациях или иных
процессах «накопления квантов»,
524
Глава XXIX
Следует отметить, что одна реакция дисмутации (дисмутация пе-
рекиси, дающая окись и свободный кислород) включалась также и
в «линейную» схему. Дисмутация перекиси водорода ведет к выде-
лению 46 ккал'моль (см. т. I, табл. 36), но дисмутации органических
соединений, например реакция Канниццаро, менее экзотермичны (около
10 ккал1моль’, см. т. I, табл. 31). Даже в этом случае три такие
дисмутации с одной дисмутацией перекиси приведут общую потреб-
ность энергии «пирамидальной» реакционной схемы к той же величине
210 ккал^моль, которая приводилась выше для «линейной» последо-
вательности реакций.
В течение 16 лет теория «четырехквантового механизма» фото-
синтеза служила объектом восхищения для тех, кто хотел подойти
к проблеме фотосинтеза с точки зрения превращения энергии. В те-
чение этого времени не было серьезных попыток проверить опытные
обоснования этого механизма и результаты Варбурга и Негелейна
рассматривались как окончательные.
В следующем разделе мы увидим, что и в это время были про-
ведены некоторые измерения с высшими растениями, давшие значи-
тельно более низкие квантовые выходы, но в этих опытах были
применены «менее подходящие объекты и менее точные методы, а по-
тому их не сочли достаточным основанием для сомнения в правиль-
ности результатов Варбурга и Негелейна. Однако начиная с 1938 г.
в лабораториях Висконсинского университета была проведена серия
исследований фотосинтеза на тех же водорослях, с которыми работал
Варбург. Исследования выполнялись при помощи различных методов:
газового анализа, полярографии и калориметрии. Результаты измере-
ний оказались весьма пестрыми, но неизменным оставалось одно: во
всех случаях выходы были значительно ниже, чем 0,25. Максимальный
квантовый выход (см. ниже) составлял около 0,1. Эти публикации
вызвали появление ряда работ, в которых исследователи пытались
повторить измерения Варбурга и Негелейна, придерживаясь, насколько
это было возможно, описанной ими техники эксперимента.
Рике [43] использовал монохроматический свет (ртутные линии
546 и 578 жр) и «интегрирующую сферу» для определения поглоще-
ния света. Предварительная подготовка водорослей (адаптация к сла-
бому свету), интенсивность света (около 1 000 эрг)см2 • сек) и чере-
дование освещения (10 мин.) были подобраны так же, как в работах
Варбурга. Квантовые выходы, подсчитанные из 10 опытов при 578 лр,
имели величину 0,18—0,24; из 6 опытов при 546 му.— 0,17—0,20.
Таким образом, Рике установил воспроизводимость результатов
Варбурга и Негелейна при точном соблюдении методики выращивания
водорослей и при той же интенсивности света. Вассинк, Вермейлен,
Реман и Катц [15] отметили другую особенность: квантовые выходы,
определенные согласно процедуре Варбурга и Негелейна, зависели от
температуры,—они увеличивались от 0,11 до 0,20 при повышении
температуры от 0 до 29°.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 525
Рике наблюдал также, что состав воды, использованный для при-
готовления культуры водорослей, влиял на величину квантового вы-
хода. Эмерсон и Льюис [11, 16, 17] подтвердили эти наблюдения.
Они применили воду из семи различных источников и обнаружили,
при прочих равных условиях, изменения величины квантового выхода
от 0,16 до 0,27.
Наиболее низкие значения были получены с водой, перегнанной
в стеклянной аппаратуре; добавка смеси микроэлементов (В, Zn, Со,
Мп, Mo, Cr, Ni, W, Ti, V) заметно повышала квантовый выход; по-
добный же результат был получен при увеличении количества суль-
фата железа в питательных смесях (очевидно, это соединение содер-
жало все микроэлементы в качестве загрязнений).
Эмерсон и Льюис нашли, что для обеспечения высоких выходов
нужно выращивать клетки 5—10 дней при 15—20° на расстоянии
20 см от четырех ламп по 60 вт, а затем в течение 3 дней — на
расстоянии 30 см от одной лампы в 100 вт. Они нашли также тем-
пературную зависимость (наиболее высокое значение квантового вы-
хода наблюдалось при 10°), подтвердив тем самым работы Вассинка
и его сотрудников. При измерении квантового выхода концентрация
двуокиси углерода должна была быть не меньше 5°/0, а интенсив-
ность света не должна была превышать 350 эрг/см2 • сек.
Эти опыты Эмерсона и Льюиса могли бы объяснить причины
низких выходов, наблюдавшихся в Висконсине, и, таким образом,
подтвердить значение результатов Варбурга и Негелейна, если бы не
возникли новые затруднения. Эмерсон и Льюис нашли, что при соче-
тании соответствующих факторов можно получить значения у, значи-
тельно более высокие, чем у Варбурга и Негелейна (0,25). При
10-минутных периодах освещения были получены значения 7 до 0,31;
при дальнейшем сокращении периода освещения удалось получить
еще более высокие значения. Но если даже квантовый выход в 0,25
представлял уже серьезные затруднения с точки зрения термохимии,
то выходы, равные 0,3 и больше, были просто несовместимы с при-
нятой схемой реакций фотосинтеза.
Эмерсон и Льюис предположили [11, 16, 17], что выделение ки-
слорода в течение первых минут освещения может происходить в ре-
зультате восстановления накопленных промежуточных продуктов тем-
нового обмена веществ, а такое восстановление требует меньше
энергии, чем восстановление двуокиси углерода. Это привело их
к исследованию значения фотосинтетического коэффициента в первые
минуты освещения. При этом исследовании они обнаружили «бурное»
выделение двуокиси углерода [22—24] и предположили, что отсут-
ствие учета этого фактора могло привести к получению высоких
значений квантового выхода, подсчитанного в работе Варбурга и
Негелейна.
Фиг. 228 и 229, взятые из работы Эмерсона и Льюиса, показы-
вают ход изменения давления при ежеминутном измерении в двух
Фиг. 228. Ход изменения давления при чередующихся перио-
дах освещения и темноты для одного н того же количества кле-
ток в двух различных сосудах [23, 24]. Сосуды обладают раз-
ным газовым объемом, что позволяет подсчитать раздельно [О2]
и [СО2] (см. фиг. 129 и 231).
Ф и г. 229. Ход обмена О2 и СО2, рассчитанный по ходу измене-
ния давления, показанному на фиг. 228, для двух разных сосу-
дов [23, 24].
Z—Оа; п—СО,.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
№
сосудах с различным отношением объема жидкости и газа. Показано,
что при включении света наблюдается начальное «бурное» газовыде-
ление, которое длится, при данной интенсивности света, около 3 мин.,
после чего изменение давления приобретает более или менее устой-
чивый ход. В темноте также устойчивый ход потребления газа уста-
навливается не сразу: после быстрых неправильных изменений наблю-
дается достаточно длительное медленное падение скорости потребления
газа; последующие опыты показали, что для достижения устойчивого
хода потребления газа требуется около 1 часа.
Квантовые выходы в работах Варбурга и Негелейна были полу-
чены на основании средних изменений давления в течение 10-минут-
ных периодов. Эти периоды включают время, в течение которого
могло произойти «бурное» газовыделение (в соответствии с фиг. 228).
Очевидно, значения квантового выхода, подсчитанного этим путем,
могут быть ошибочны, и в случае применения периодов короче
10 мин. могут получиться высокие средние значения.
Сравнивая кривые, полученные в опытах с двумя сосудами, Эмер-
сон и Льюис [22—24] получили данные об относительной роли кисло-
рода и двуокиси углерода при «бурном» газовыделении, а также при
избыточном поглощении газа в темноте. Они нашли (см. фиг. 229),
что оба явления связаны с двуокисью углерода, а не с кислородом;
поглощение и выделение последнего (сплошная линия на фиг. 229)
показывает лишь малые нарушения, связанные, вероятно, с неточ-
ностью измерения. Эмерсон и Льюис обнаружили, что факторы, ко-
торые в предыдущих работах (Варбурга и Негелейна, Рике, Эмерсона
и Льюиса) считались обязательными для получения высокого кванто-
вого выхода, влияли главным образом на «бурное» выделение дву-
окиси углерода.
Концентрация двуокиси углерода в среде оказывала влияние на
ее усвоение в темноте и, таким образом, также на количество газа,
выделяющегося при освещении. Быть может, этим объясняется то,
что для получения высоких квантовых выходов нужна высокая кон-
центрация двуокиси углерода (порядка 5°/0); световые кривые для
разных значений параметра [СО2] (см. фиг. 165—169) указывают,
что концентрация СО2 не влияет на фотосинтез при столь низкой
интенсивности света.
Подобные объяснения приложимы и к влиянию температуры.
Известно, что при низкой интенсивности света, т. е. там, где общую
скорость фотосинтеза определяет собственно фотохимический процесс,
изменение температуры не влияет на максимальный квантовый выход
(см. фиг. 172—174 и гл. XXXI). Наблюдаемое действие температуры
противоречило этому представлению. Теперь можно считать вероят-
ным, что действие температуры определялось влиянием не на фото-
синтез, а на поглощение двуокиси углерода в темноте и последующее
ее выделение на свету. Предварительная обработка водорослей
также, повидимому, оказывает ббльшее влияние на «бурное» выделение
528
Глава XXIX
двуокиси углерода, чем на установившийся ход фотосинтеза. Клетки
с интенсивным дыханием обладают также большим газовыделением,
чем клетки с менее интенсивным дыханием. Культивируя Chlorella
при слабом свете, можно получить клетки со слабым дыханием, почти
не показывающие выделения газа при освещении.
Когда «бурное» выделение двуокиси углерода было нейтрализо-
вано путем замены карбонатных буферов раствором углекислоты,
Эмерсон и Льюис получили квантовые выходы порядка 0,1 независимо
от режима предварительного освещения клеток, возраста культуры
и состава воды, использованной для ее приготовления (некоторые
микроэлементы, в особенности марганец, повидимому, все же ока-
зывают влияние на квантовый выход).
Заключения Эмерсона и Льюиса согласуются с данными Даниэльса
и сотрудников [20], которые выращивали Chlorella, добавляя к озер-
ной, водопроводной или дестиллированной воде водные вытяжки из
почвы, питательный раствор из 28 элементов или морскую воду; во
всех случаях не наблюдалось заметных изменений квантового выхода.
Эмерсон и Льюис не делали подсчета квантовых выходов по из-
мерениям того типа, который представлен на фиг. 229; из оценки
этих опытов они пришли к заключению, что у Chlorella квантовый
выход выделения кислорода (и потребления двуокиси углерода в тех
случаях, когда «бурное» выделение СО2 уже закончено) заметно не
различается в кислом фосфатном буфере и щелочной карбонатной
среде. Если это так, то абсолютные измерения квантового выхода
лучше проводить в карбонатном буфере, где исключены все эффекты,
связанные с обменом двуокиси углерода, и поэтому нет нужды в при-
менении метода двух сосудов. Использование последнего метода за-
висит от сравнительно малых разностей измерения, и в соответствии
с этим его точность невелика.
Измерения квантового выхода, сделанные Эмерсоном и Льюисом
с Chlorella в щелочном буфере, дали значения между i/8 и 1/11; мы
увидим ниже, что Варбург, Бёрк и их сотрудники впоследствии под-
твердили эти результаты (Эйхгоф остался единственным исследова-
телем, утверждавшим, что у Chlorella в карбонатном буфере может
быть получен квантовый выход порядка 0,25).
Ряд определений квантового выхода у Chlorella pyrenoidosa про-
вели манометрическим методом Френч и Рабидо [35]. Эти определе-
ния должны были служить контролем к их измерениям с изолирован-
ными хлоропластами. Используя в качестве среды карбонатный
буфер № 9, они нашли, что в красном свете (660—720 з<[а) значе-
ния у лежат между 0,063 и 0,113, что соответствует 9—16 квантам
на молекулу восстановленной двуокиси углерода. При этом не наблю-
далось значительных колебаний в величине квантового выхода в пре-
делах интенсивного света между 1,4 и 8- 103 эрг ум?  сек.
Согласно Эмерсону и Льюису, истинная величина квантового вы-
хода фотосинтеза у разных видов растений не изменяется особенно
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 529
заметно. Об этом говорит сходство между вышеупомянутыми резуль-
татами опытов с Chlorella и наблюдениями Габриэльсена над листьями
высших растений (см. стр. 556); это подтверждают также измере-
ния Эмерсона и Льюиса, приведенные в табл. 49. Последние измере-
ния были сделаны в карбонатном буфере после предварительных
опытов, показавших, что ни одна из примененных разновидностей
водорослей не дала значительных отличий в выходах, измеренных
в фосфатном и карбонатном буфере.
Таблица 49
МАКСИМАЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ ВЫХОД У РАЗНЫХ ВИДОВ
ПРИ 1 20Э эрг!см?-се1С (СВЕТ НАТРИЕВОЙ ЛАМПЫ)
(по Эмерсону Льюису [23])
Вид	t	l/T
Зеленые водоросли Chlorella pyrenoidosa		0,101	9,9
Chlorella vulgaris		0,092	10,9
Chlorococcus		0,104	9,6
Eudorina		0,095	10,5
Sticchococcus bacillarls		0,107	9,3
Scenedesmus D1		0,094	10,6
Scenedesmus D3		0,100	10,0
Cyorffiana humicola		0,090	11,0
Oocyst is пае gel i		0,096	10,4
Сиие-зеленые водоросли Chroococcus ...........	0,086	11,6
Водяные цветковые растения Wolffiella Ungulata		0,060	16,6
Рике [43], работавший в лаборатории Франка, произвел в 1941 г.
серию определений квантового выхода, которые были опубликованы
значительно позже. Он применял сравнительно разбавленные и поэтому
поглощающие лишь часть падающего света суспензии Chlorella', коли-
чество поглощенной световой энергии определялось при помощи инте-
грирующей сферы. Вследствие сравнительно низкой концентрации клеток
поправка на дыхание была относительно мала.
В опытах этого типа Рике нашел величину квантового выхода 0,08
для Chlorella (в кислом растворе, так же как и в щелочном буфере)
и от 0,09 до 0,11 для Scenedesmus (в 0,025 М бикарбонате, насы-
щенном 4°/0 СО2; pH 8,4). Несколько более низкие выходы (7 = 0,074)
были получены для Scenedesmus в более щелочных карбонат-бикар-
34 Зак. 4040. Е. Рабинович
530
Глава XXIX
бонатных буферных растворах. Квантовые выходы (в буферах) были
одинаковыми при 10 и 20°; на них заметно не влияли изменение
интенсивности света в течение последних дней выращивания (от «очень
низкой» интенсивности света до 10 000 лк), удвоение концентрации
солей в растворе, изменение концентрации СО2 (0,03 и 4%), а также
добавка смеси микроэлементов.
Однако отмечалось, что выращивание водоросли при концентрации
суспензии выше 1 см'Л клеток на 1 л уменьшает их фотосинтетическую
активность.
Квантовый выход уменьшается мало при увеличении интенсивности
света в пределах между 1100 и 4 400 эрг/см2 • сек', от 0,077 до 0,072
в одном опыте с Scenedesmus и от средней величины 0,084 при
1900 эрг/см2 • сек до средней величины 0,079 при 4 400 эрг/см2 • сек
в опытах с Chlorella.
Вассинк [37] применил манометрический метод Варбурга для изме-
рения фотосинтеза листьев ряда садовых растений (маленькие диски,
вырезанные из этих листьев, плавали в буферном растворе в сосуде
прибора Варбурга). При низкой и умеренной интенсивности желтого
света натриевой лампы выходы практически не зависели от темпера-
туры (17—25°) и от начальной концентрации углекислого газа (1—9°/0).
Световые кривые были прямолинейными до 20 • 103 эрг/см2  сек.
Квантовые выходы были вычислены по скоростям фотосинтеза при
10 • 103 эрг/см2  сек. Полученные значения у даны в табл. 50. Наи-
меньшее измеренное значение I/7 составляло около И, что соответ-
ствует 7 = 0,09.
Таблица 50
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА
САДОВЫМИ РАСТЕНИЯМИ *)
(по Вассинку [37])
Растение	VT	Число измерений
Клубника 		12,1—17,8	23
Кольраби		13,5—15,4	5
Китайская капуста 		10,8—14,7	8
Белый цикорий 		13,6—16,8	4
Томаты 		16,0—43,5	17
Огурцы 		13,8—24,6	5
Эндивий 		21,8	2
Спаржа		14,6—18,2	4
*) При 10-10» эрг^слС-сек.
Значение изменения квантового выхода Chlorella с изменением
длины волны будет обсуждаться в гл. XXX, преимущественно с точки
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
531
зрения участия в фотосинтезе каротиноидов. Большая часть опытов
по измерениям квантового выхода у окрашенных водорослей (бурых, крас-
ных и сине-зеленых) была выполнена с той же целью: для выяснения
роли фикобилинов и каротиноидов. Что касается абсолютной величины
квантового выхода, то, повидимому, существенного отличия между
этими водорослями и зелеными растениями нет, на что указывают
следующие наблюдения. Эмерсон и Льюис [23, 24, 30] измеряли мано-
метрическим способом квантовый выход фотосинтеза сине-зеленой
одноклеточной водоросли Chroococcus и нашли максимальное значение у
около 0,08 в красном свете. Работая с суспензией диатомовых водо-
рослей (Nitzschia closterium), Дэттон и Мэннинг [28] нашли значение
среднего квантового выхода равным 0,063, с отдельными изменениями у
до 0,1. Вассинк и Керстен [33] исследовали другую водоросль, Nitzschia
dissipata, и подсчитали квантовый выход из манометрических измере-
ний с периодом освещения 30—60 мин. в свете натриевой лампы
интенсивностью около 10 • 10s эрг)см2 • сек. Световые кривые, полу-
ченные в опытах этих авторов, обнаруживали лишь малые отклонения
от линейного хода при этой относительно высокой интенсивности света
(см. фиг. 169). От одной трети до половины падающего света погло-
щалось в сосуде. В 5 опытах при 25° и 1 — при 6° были получены
значения 1/7 от 11,4 до 13,9 (средняя величина—12,9), что соответ-
ствует 7 = 0,078 и Тмако = 0,09.
Танада [56] произвел систематическое исследование квантового
выхода диатомовой водоросли Navicula minima в зависимости от длины
волны. Эта работа будет описана в гл. XXX. Для рассмотрения затро-
нутых в данном разделе вопросов существенно указать на то, что
максимальный квантовый выход, полученный в карбонатном буфере № 9,
был равен 0,11, что соответствует квантовому расходу, равному 9,
а также на то, что выход в кислом фосфатном буфере оказался при
всех интенсивностях света на 5—10°/о ниже (а не на 10—20°/о выше,
как у Chlorella), чем в щелочном карбонатном буфере. В данном
случае объяснение Варбурга, который приписывал квантовый расход
порядка 10 «нефизиологическому» pH, представляется неприложимым.
Подобно Коку (см. ниже), Танада нашел, что квантовый выход
зависит от возраста культуры. Квантовый выход при слабом освещении
и максимальная скорость при сильном освещении резко падают по сра-
внению с их первоначальными значениями (7маКс = 0,115; Рмжс = 3,0 мм3
О2 на 1 .и.и3 клеток в 1 час) между шестым и восьмым днем выра-
щивания (то = 0,07; Аганл =1.0 на восьмой день); падение продол-
жается, но более медленно, в течение следующих двенадцати дней и
на двадцатый день у0 уменьшается до 0,06, а РмаЕС ДО 0,75.
Таким образом, мы видим, что целая серия манометрических опре-
делений максимального квантового выхода у зеленых высших растений,
зеленых водорослей, сине-зеленых и диатомовых водорослей при опре-
делении как в карбонатных буферах, так и в кислом растворе приво-
дила к получению значений 7макс, равных 0,1 дЬ 0,02. За исключением
34*
532
Глава XXIX
измерений Эмерсона и Льюиса, обнаруживавших «бурное» выделение
двуокиси углерода, все эти определения были проведены в условиях,
где либо выделяющийся газ (если выделение его вообще имело место)
поглощался средой, либо влияние «бурного» выделения сводилось
к минимуму при усреднении результатов длительно ведущегося опыта.
Многие опыты были сделаны при более сильном освещении (до интен-
сивности света, превосходящей в 10 раз интенсивность в опытах Вар-
бурга); это также, вероятно, сводило к минимуму эффект газовыделе-
ния. Опыты Эмерсона и Льюиса, а также опыты Рике, проведенные
в точном соответствии с процедурой Варбурга — Негелейна, показали,
что результаты Варбурга можно воспроизвести, если «бурное» выделе-
ние двуокиси углерода рассматривать как часть нормального газо-
выделения при фотосинтезе.
Теперь обратимся к другой стороне спора: к исследованиям,
подтвердившим результаты Варбурга и Негелейна в условиях, к ко-
торым неприложимо толкование Эмерсона и Льюиса.
Прежде всего нужно отметить исследование Эйхгофа [19], прове-
денное в лаборатории Ноддака. Эйхгоф работал с клетками Chlorella,
взвешенными в бикарбонатных буферных растворах. Измерения кван-
тового выхода производились после предварительного освещения от 15
до 30 мин.
Обе эти предосторожности должны были предотвратить возмож-
ное влияние на результаты измерения «бурного» выделения дву-
окиси углерода в начале освещения. Эйхгоф работал либо с кон-
центрированной суспензией Chlorella pyrenoidosa, поглощавшей 67°/0
красного света (полоса шириной в 10 яр при. 650 яр, выделенная
при помощи дисперсионного фильтра Христиансена) и 39°/О зеленого
света (567,5 яр), либо с разбавленной суспензией, поглощавшей 22°/0
красного света; поглощение света определялось при помощи эллип-
соидального фотометра (см. гл. XXV). Каждый опыт состоял из:
1) периода темновой адаптации; 2) периода, в течение которого измеря-
лось дыхание; 3) периода световой адаптации; 4) периода освещения;
5) второго периода темновой адаптации и 6) последнего периода изме-
рения дыхания. Каждый период продолжался 15—30 мин. Интенсив-
ность освещения была достаточна высока (от 500 до 5 000 эрг^я^-сек),
чтобы фотосинтез превосходил дыхание. Полученные значения кван-
тового выхода лежали в пределах 0,25—0,19 как для концентриро-
ванной, так и для разбавленной суспензии; более низкие значения
(0,19—0,22) наблюдались лишь при более высокой интенсивности
света и служили указанием на начало светового насыщения. Подоб-
ные значения f были найдены при 567,5 яр. Квантовый выход сохранял
постоянное значение в широких спектральных пределах, включая
близкую инфракрасную область, в которой другие исследователи
вообще не наблюдали фотосинтеза (см. гл. XXX). В обзоре Франка и
Гаффрона [27] указано, что Эмерсон и Льюис, а также Рике пытались
воспроизвести опыты Эйхгофа (в особенности в отношении способа
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 533
выращивания водорослей), но не смогли подтвердить полученные им
высокие выходы.
Особенностью световых кривых, полученных в опытах Эйхгофа
(см. фиг. 243), является раннее насыщение в красном свете. В соот-
ветствии с этими кривыми 7О°/о максимального фотосинтеза дости-
гается уже при интенсивности света в 3 • 103 эрг[см2 • сек. Из данных
Эйхгофа следует, что 5 энергетических метро-свечей красного света
(«энергетической метро-свечой» Эйхгоф называет монохроматиче-
ский световой поток, равный общему «белому» световому потоку
свечи Гефнера) эквивалентны в отношении фотосинтеза 15 • 103 лк
белого света от лампы накаливания в 500 вт. Такая лампа (см. гл. XXV)
дает световой поток, по крайней мере, в 60 • 103 эрг1см2  сек, считая
лишь фотосинтетически активную область (400—700 ,ш.), тогда как
5 энергетических метро-свечей эквивалентны (используя значения
Герлаха для радиации свечи Гефнера) лишь 4,7 • 103 эрг/см1 • сек.
Даже если суспензия будет поглощать красный свет в 3 или 4 раза
более эффективно, чем белый свет (без инфракрасного излучения),
останется все же громадная разница между количеством красного и
белого света, необходимого для осуществления одной и той же скорости
фотосинтеза. Можно предположить, что в опытах Эйхгофа измерение
абсолютной интенсивности красного света могло быть занижено
в 3—5 раз. Тогда квантовые выходы, подсчитанные в этих работах,
должны быть занижены во столько же раз, поскольку Эйхгоф не
проделал ни одного определения квантового выхода в белом свете.
Позднее Варбург [38, 41] повторил совместно с Кубовицом первич-
ные опыты Варбурга и Негелейна, с учетом критики Эмерсона. Для
того чтобы можно было объяснить результаты работы 1923 г. так,
как предлагает Эмерсон, среднее значение фотосинтетического коэф-
фициента в течение 10 мин. экспозиции должно быть равным по
подсчету Варбурга = ДО2/—ДСО2 = — 0,26 (иными словами, при
освещении должно выделяться 4 объема СО2 на каждый выделяющийся
объем кислорода). Значение Q$=-|-l,09 было определено Варбургом
и Негелейном путем газового анализа в гораздо более интенсивном
свете, чем тот, который применялся при измерении квантового выхода.
Варбург затем повторно определил Q® манометрическим методом, при
менее интенсивном свете, проведя две серии опытов в одном и том же
манометрическом сосуде с двумя разными объемами жидкости (5 и 8 мл).
Он нашел значение Q$=-|-l,07, т. е. практически то же, что и
в опытах Варбурга и Негелейна.
Варбург и Кубовиц не обнаружили «бурного» выделения газа
в первые минуты освещения, если не считать сравнительно малого
эффекта, наблюдаемого при высокой интенсивности света, особенно
при вспенивании жидкости в реакционном сосуде (фиг. 230, А). Под-
твердив данные первичных опытов, Варбург и Кубовиц приступили
к новым определениям квантового выхода методом одного сосуда.
534
Глава XXIX
Сосуд не был посеребрен, с тем чтобы лучше было видно образование
пузырьков (которое Варбург считал наиболее серьезным источником
ошибок); при отсчетах качание сосуда не прекращалось. В качестве
			Л	.Тем!	'вта		А
	Свеп		/ в				
							
	1 А						
	(Г						
							
							
							
							
							
								Б
								
		Свет			Тет	ота		
					1			
					27L			
								
								
								
								
								
О 6 12 18 24 30 36 42 48 0 6 12 18 24 30 36 42 48
Фиг. 230. А — Г. Измерения квантового выхода Chlorella [41]. Желтый
свет, 10°. Заштрихованные участки соответствуют «индукционным потерям»,
приписываемым замедленному ответу манометра. Квантовый выход опреде-
лен по разнице наклонов на свету {АВ или CD, в зависимости от метода
расчета) и в темноте.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
535
источника света использовали преимущественно желтые линии ртути
(578 Jtp.) с интенсивностью 325—2 920 эрг/см2  сек.
Чтобы свести к минимуму эффекты, вызванные медленностью газо-
обмена, был применен меньший объем жидкости, чем в опытах 1923 г.,
и в каждый сосуд были положены две стеклянные бусинки для лучшего
размешивания. Ссылаясь на кривые, подобные тем, которые изображены
на фиг. 230, Б и В, Варбург рассматривал изменения давления в начале
светового и темнового периодов как результат медленного установле-
ния газового равновесия. Он описал эти нарушения как «симметрич-
ные», разумея под этим, что оба нарушения газового обмена взаимно
компенсируются и поэтому значения у имеют одну и ту же величину
независимо от того, определяют ли их при установившейся скорости
процесса, исключая измерения в первые минуты освещения (т. е. из
наклона ДВ), или путем интерполяции, как на фиг. 226 (т. е. по
наклону CD). Эта процедура эквивалентна суммированию газового
обмена в течение всего периода опыта, включая два переходных интер-
вала.
Эти соображения, очевидно, не приложимы к кривой на фиг. 230, А,
где увеличение давления в первые минуты происходит быстрее. Под-
счеты по установившемуся состоянию (наклон Л В) дают в этом случае
значение 1/у на 25% выше, чем при суммировании (наклон CD).
В табл. 51 приведены эти результаты. На основании своих
опытов Варбург пришел к заключению, что предельный квантовый
выход составляет 0,25 при слабом свете и падает до 0,20 при
1 500 эрг/см2  сек. Он предположил, что меньшие значения квантового
выхода в работах других исследователей объясняются неудачным выра-
щиванием водорослей, хотя описанная в его работах методика выращи-
вания существенно не отличалась от способа Эмерсона и Рике.
При обсуждении результатов Варбурга, Эмерсон с сотрудниками
[45] указали, что на изменение давления в первые минуты освещения
влияют два фактора: медленность установления показаний манометра
(что подчеркивал и Варбург) и «бурное» выделение двуокиси угле-
рода. При очень слабом свете это газовыделение должно происхо-
дить довольно равномерно в течение периода освещения длитель-
ностью 10—15 мин., и медленный переход ясно обнаруживается
в начальных измерениях (как на фиг. 230,5 и В). При сильном свете
газовыделение гораздо более внезапно и его быстрое падение с из-
бытком компенсирует эффект медленности газового обмена, в резуль-
тате чего получаются кривые, как на фиг. 230, А. «Растягивание»
газовыделения при слабом освещении на весь период освещения в со-
четании с замедленным ответом манометра может объяснить одно из
возражений Варбурга: отсутствие видимой «вспышки» давления при
слабом свете (фиг. 230, Б — Г).
Другое, главное возражение Варбурга на критику Эмерсона осно-
вывалось на том, что контрольный опыт «в условиях измерения кван-
тового выхода» подтверждает значение порядка -|-1, тогда как
536
Глава XXIX
Таблица 51
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ *)
(по Варбургу [38, 41])
I			l/т» число квантов на 1 молекулу оя	Т, число молекул Оя на 1 квант	№ фигуры
А, Мр	10 в эйнштейн в 1 мин. на 17 см9	эрг^см^'Сек			
578	0,158	324	3,962); 3,603)	0,25	230, Г
578	0,161	330	4,352)	0,23	
578	0,177	363	4,50 2)	0,22	
578	0,196	403	3,60 2)	0,28	
436	0,201	—	(5,0)	(0,20)	230, В
578	0,330	677	4,52); 4,6 з)	0,22	
436	0,390	—	(6,0)	(0,17)	
578	0,400	824	4,252)	0,24	
578	0,750	1540	5,032); 4,793)	0,20	230, Б
578	1,42	2 920	5,56 2); 4,453)	0,18	230, А
Суспензия Chlorella, 10е, полное поглощение, 450 мм3 клеток в 5 или в 8 мл жидкости;
площадь дна сосуда 17 см9. На два значения, заключенные в скобки, вероятно» повлияло погло-
щение света каротиноидами.
*) При установившемся состоянии.
*) При суммировании.
для получения методом одного сосуда квантового выхода выделения
кислорода на свету порядка 0,1 Qq должен был бы отклоняться от
единицы весьма значительно.
На это Эмерсон и его сотрудники отвечают, что Варбург опре-
делял значения Q$ путем вычитания скоростей изменения давления
в темноте и при освещении (эта разница называлась «световым эф-
фектом»).
Сравнивая световые эффекты в опытах с разным количеством
жидкости в одном и том же сосуде, Варбург вывел для светового эф-
фекта отношение ДО2/ДСО2 и, найдя эту величину близкой к 1, пришел
к заключению, что при освещении не могло произойти значительного
г азовыделе ния. Однако эта процедура была бы допустима лишь в том
случае, если бы газовый обмен на свету был результатом наложения
фотохимического процесса (фотосинтеза, с возможным прибавлением
«бурного» выделения двуокиси углерода) на темновой процесс, ско-
рость которого одинакова в темноте и при освещении. Дыхание
обычно считается именно таким процессом, хотя некоторые сомне-
ния возникают и здесь. Но такое допущение неверно в случае вто-
ричного поглощения «бурно» выделенной двуокиси углерода, так как этот
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
537
процесс происходит лишь в темноте. Если пренебречь этой состав-
ляющей газового обмена, идущего в темноте после периода освеще-
ния, то из подсчитанного светового эффекта автоматически исклю-
чается часть (или даже все количество) «бурно» выделенной двуокиси
углерода, так же как в процедуре, показанной на фиг. 226, исклю-
чается замедленный ответ манометра. Неудивительно поэтому, что
отношения Q$, подсчитанные на основании светового эффекта, ока-
зываются близкими к единице. (Является ли исключение «бурного»
газовыделения полным или частичным, зависит от того, какая часть
выделившейся на свету двуокиси углерода была поглощена в течение
темнового периода.)
Чтобы судить о том, происходит ли значительное выделение дву-
окиси углерода при освещении (и последующее поглощение ее в тем-
ноте), отношение ДО2/ДСО2 следует подсчитать раздельно для темно-
вого и светового периодов вместо непосредственного подсчета этого
отношения по величине светового эффекта. Отношения фтвМи и фОвет
могут каждое в отдельности сильно отличаться от единицы, тогда
как отношение для светового эффекта может быть близким к еди-
нице. Таким образом, метод подсчета Qq, использованный Варбур-
гом [41] для доказательства отсутствия (или практически малой вели-
чины) газовыделения, непригоден для этой цели даже в случае пра-
вильности исходных экспериментальных данных.
Однако Эмерсон и его сотрудники приводят доводы в пользу
того, что и эти исходные данные можно подвергнуть критике. Они
указывают, что значение Q$=l,07 получено при измерении дли-
тельностью 40 мин. По данным Варбурга видно, что если взять период
измерения в 10 мин., то получится гораздо меньшее значение Q$.
Далее, измерения были сделаны при красном свете интенсив-
ностью 3 780 эрг!см2  сек (в 10 раз более интенсивном, чем при
измерении квантового выхода, равного 0,25), тогда как измерения у
были сделаны в желтом свете, который значительно меньше погло-
щается суспензией.
Условия измерения отличались от условий измерения у также
по температуре (20° вместо 10°), концентрации двуокиси углерода
(8°/0 СО2 в кислороде по сравнению с 5°/0 СО2 в воздухе) и объему
дыхания (при измерении квантового выхода дыхание было вдвое силь-
нее, чем при измерении Q$, что указывает на разные условия куль-
туры водорослей). Ранее указывалось, что объем «бурного» выделения
углекислоты зависит от всех этих условий; таким образом, утверж-
дение Варбурга, что измерения были сделаны в тех же условиях,
что и определение квантового выхода, является неоправданным.
Рабинович [39] указал на то, что в соответствии с опытными
данными увеличение интенсивности света влияет не столько на объем
«бурного» газовыделения, сколько на его внезапность. Этого можно
ожидать в случае фотохимического (с высоким квантовым выходом,
возможно,адри -у = 1) «опорожнения резервуара двуокиси углерода»,
538
Глава XXIX
содержащего конечный объем газа. Точная величина объема зависит
от условий, преобладающих до освещения. Если объем «резервуара»
соответствует одной молекуле двуокиси углерода на молекулу хлоро-
филла, то время, потребное для полного «опорожнения», должно иметь
тот же порядок, что и время, требуемое для поглощения кванта света
каждой молекулой хлорофилла в суспензии. В концентрированных
суспензиях и при малой интенсивности света это время составляет
около 10 мин. (см. гл. XXXII), и, следовательно, такова же будет
ожидаемая длительность газовыделения. При сильном свете это время
соответственно меньше.
Если объем газовыделения не увеличивается или мало изменяется
с увеличением интенсивности света, его значение при 3 780 эрг]см2  сек
должно быть гораздо меньше, чем при 320 эрг! см2 • сек (при кото-
ром были найдены значения у = 0,25).
Эмерсон и Нишимура [45] подвергли критике также другие экспе-
риментальные аспекты работы Варбурга. Они указали на то, что
применение равных объемов жидкости и разных газовых объемов при
методе двух сосудов (Эмерсон и Льюис; см. фиг. 129) обеспечивает
лучшую сравнимость газового обмена, чем в опытах Варбурга, исполь-
зовавшего один сосуд, наполненный разным количеством жидкости,
поскольку эффективность газового обмена между двумя фазами зави-
сит от объема жидкости. Вызвала возражения также схема ведения
опытов Варбурга, включающая последовательные опыты сначала с бо-
лее концентрированной, а затем с более разбавленной суспензией.
Вследствие непрерывно идущего изменения скорости дыхания в су-
спензии клеток лишь одновременная экспозиция и затемнение двух
равных объемов клеточной суспензии могли бы обеспечить требуемую
высокую степень их физиологической равноценности. Впрочем, и в опы-
тах Эмерсона и Льюиса эти требования не были в полной мере удо-
влетворены: эти авторы также работали сначала с одним, а потом
с другим сосудом, но в отличие от Варбурга они применяли свежую
порцию суспензии для каждого опыта (рассматривая это как более
приемлемый компромисс по сравнению с использованием одной пробы),
сначала для серии измерений с малым объемом жидкости, а затем —
после разбавления — для второй серии измерений в большем объеме.
Обсуждение этих с виду незначительных деталей указывает на
большую практическую трудность столь простого в теории метода
двух сосудов. Применение этого метода основывается на том допу-
щении, что наблюдаемая разница между изменениями давления в двух
сосудах обусловливается только различием относительных объемов
жидкости и газа. Даже очень малая разница в количествах фактически
выделяющегося (или потребляемого) газа или разница в скорости ответа
манометра на изменение объема газа может привести к большим
ошибкам в расчете.
Можно предвидеть ряд причин этих изменений. Могут существо-
вать малые физиологические отличия между пробами, взятыми из
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
539
общего объема суспензии в разное время. Значительные различия в по-
глощении света могут происходить из разного положения сосудов
в световом пучке и из различия их формы и материала стенок. Встря-
хивание сосуда в приборе приводит к уменьшению толщины слоя
жидкости в середине сосуда, и вызываемая этим неполнота поглоще-
ния зависит от наличного объема жидкости и формы сосуда.
В 1948—1949 гг. была сделана неудачная попытка разрешить
спорные вопросы определения квантового выхода путем совместной
работы Варбурга и Эмерсона в лаборатории последнего. Впоследствии,
летом 1949 г., Варбург, Бёрк и сотрудники [50—53] провели изме-
рения квантового выхода в Национальном раковом институте в Бе-
тесде и в Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле. В этих
опытах наблюдались единичные выходы до %о = О,44 (1/уп = 2,3);
даже средний выход был значительно выше 0,25. Условия, в которых
достигались эти высокие выходы, отличались от условий, рекомен-
дованных Варбургом и Негелейном в 1923 г., и в некотором отно-
шении были даже им противоположны.
Культура клеток. Снижение интенсивности света в последний
день культивирования, рекомендованное Варбургом и Негелейном, чтобы
«приучить» клетки Chlorella к слабому свету, было устранено в опы-
тах Варбурга и Бёрка. Другая предосторожность, которой прене-
брегли Варбург и Негелейн, теперь была найдена существенной; пузырьки
газа, содержащего двуокись углерода, пропускались через сосуд с куль-
турой достаточно быстро, чтобы препятствовать оседанию клеток и
тем самым обеспечивать равный доступ кислорода и двуокиси углерода
ко всем клеткам.
Применялись очень концентрированные суспензии: 0,3 ммъ клеток
в 7 мл среды (фосфатный буфер, pH 4,9, насыщенный 5°/0 СО2
в воздухе; в 1948 г. Варбург брал лишь 0,1 жж3 клеток в 5 или 9 мл
среды). Это было сделано с тем, чтобы обеспечить полное погло-
щение света, несмотря на увеличенную скорость качания, в результате
которой «пустота» в центре реакционного сосуда оказывается еще
значительнее; но поправка на дыхание — основной источник малой
достоверности измерений этого типа — оказалась вследствие этого
выше, чем раньше.
Ответ манометра. По сравнению с опытами 1923 г. эффек-
тивность перемешивания суспензии была увеличена (применяли прямо-
угольный сосуд при горизонтальном возвратно-поступательном движе-
нии с амплитудой 2 см\ 150 качаний в 1 мин.). Вследствие столь
эффективного перемешивания считали ответ манометра на выделение
или поглощение газа в жидкости практически мгновенным. Поэтому
не применялись поправки (типа, показанного на фиг. 226) на диффу-
зию через жидкость и на обмен между двумя фазами. Выходы под-
считывались из показаний манометра, сделанных в самый момент пе-
рехода от темноты к свету или от света к темноте. В работах 1923
и 1948 гг. ошибки, вызванные «физическим отставанием», рассма-
540
Глава XXIX
тривались как имеющие первостепенную важность; в некоторых при-
мерах, которые даны в этих ранних статьях, подсчитанные значения
квантового выхода были бы совсем иными без поправки на это от-
ставание.
График времени. Два сосуда заполняли одновременно равными
порциями одной и той же культуры и попеременно экспонировали
в одном и том же световом пучке (например, 10 мин. освещали со-
суд 1, затем 10 мин. — сосуд 2, затем снова 10 мин. — сосуд 1 и т. д.).
Оба сосуда (полные объемы —14 и 18 мл) содержали одинаковый
объем жидкости (7 мл). Предполагалось, что если и существовало
какое-либо физиологическое различие между клетками в двух сосудах
при первой экспозиции (из-за первоначальной «разницы фаз» на 10 мин.),
то это отличие должно было исчезнуть после нескольких циклов
свет — темнота. Однако Эмерсон и его сотрудники нашли, что тре-
буется, по крайней мере, пять или шесть циклов (10 мин. света-}-10 мин.
темноты), чтобы исключить начальные различия, тогда как во многих
опытах Варбурга и Бёрка (см. табл. 52) применялись лишь два или
три цикла. Попеременная экспозиция вообще отсутствовала почти
в половине всех опытов — именно в тех, где для компенсации дыха-
ния применялся световой фон.
Измерение света. Варбург и Бёрк не проводили физических опре-
делений интенсивности света (в прежних опытах как Варбург, так и
Эмерсон применяли болометры). Вместо этого интенсивность света
определялась при помощи актинометра, действующего на основе сен-
сибилизированной этилхлорофиллидом реакции окисления тиомочевины.
Эта реакция идет с квантовым выходом, равным 1,0, что было ранее
найдено болометрически Варбургом и Шокеном в лаборатории Эмер-
сона (см. гл. XXXV). Известно, что квантовый выход актинометра
падает с увеличением светового потока, в особенности в области
свыше 0,1 микроэйнштейна в 1 мин. Многие опыты Варбурга и Бёрка
были проведены при более сильном свете; интенсивность светового
потока, перед тем как он направлялся на актинометр, понижалась
примерно до 0,1 микроэйнштейна в 1 мин. при помощи калиброван-
ных проволочных сеток.
Интенсивность света. В измерениях Варбурга [3, 38] особо
важным условием считалось очень слабое освещение, поскольку было
найдено, что квантовый выход быстро падает (см. фиг. 236) с уве-
личением интенсивности света, начиная от 1 000 эрг1см2  сек, т. е.
примерно от 0,03 микроэйнштейна на 1 еж2 в 1 мин. В работах Вар-
бурга и Бёрка применялась значительно более высокая интенсивность
света: вместо равномерного освещения почти всей поверхности дна
сосуда (как в ранних работах 1923—1948 гг.) применялся узкий пу-
чок света, сечением около 3 см, падающий на дно сосуда площадью
8,3 см2. Общий световой поток (красный свет, 630—650 жр.) был
равен 0,2—0,6 микроэйнштейна в 1 мин. или 0,07—0,2 микроэйн-
штейна на 1 см2 в 1 мин., т. е. интенсивность его была приблизи-
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
541
тельно в 10 раз больше интенсивности света, при котором в опы-
тах 1948 г. был получен квантовый выход, равный 0,25.
Вследствие исключительно высокой концентрации суспензии прак-
тически весь свет поглощался слоем суспензии толщиной 1 мм, что
соответствует объему 0,3 мл. Таким образом, в каждый данный
момент более 95°/0 клеток находилось в темноте, тогда как менее 5°/0
освещалось светом с интенсивностью, близкой к значению насыщения
(фотосинтез адаптированной к свету Chlorella насыщается в красном
свете при световом потоке около 0,5 микроэйнштейна на 1 см2 в 1 мин.).
Действие прерывистого освещения. Кажется удивительным, что
наиболее высокий из наблюдавшихся квантовых выходов найден именно
при интенсивности падающего света, близкой к насыщению. Варбург,
Бёрк и их сотрудники объяснили этот парадокс прерывистым (мигаю-
щим) освещением: вследствие быстрого качания сосуда отдельная
клетка остается в зоне освещения очень короткое время и затем ухо-
дит в темноту. Таким образом, при равномерном перемешивании каж-
дая клетка должна проводить более 95°/0 общего времени освещения
в темноте и менее 5°/0 — на свету. Варбург и Бёрк выдвинули в ка-
честве нового принципа представление о том, что такой тип преры-
вистого освещения позволяет добиться максимального использования
света. Это утверждение нелегко примирить с результатами опытов
в мигающем свете, которые будут обсуждаться в гл. XXXIV.
Эти опыты свидетельствуют о том, что прерывистое освещение
не может увеличить использование света сверх максимального зна-
чения, возможного при постоянном слабом свете. Единственное, чего
можно добиться при использовании мигающего света, — это получить
такое значение квантового выхода при интенсивности света, прибли-
жающейся к насыщению, которое очень близко к значению кванто-
вого выхода при слабом постоянном освещении, но, тем не менее,
никогда не достигает его.
Для того чтобы увеличение квантового выхода за счет мигающего
освещения вообще имело значение, периоды освещения должны быть
не длиннее «периода Эмерсона — Арнольда» (0,01 сек. при 20°;
см гл. XXXIV). В этом случае катализатор, ограничивающий ско-
рость процесса, работает в темноте после световой вспышки в тече-
ние времени, достаточно длительного по сравнению с длительностью
самой вспышки. Однако сомнительно, чтобы перемешивание при ско-
рости 2,5 качания в 1 сек. могло привести к периодам освещения,
равным 0,01 сек. или меньше. Несомненно, что периоды темноты
в опытах Варбурга и Бёрка были значительно больше 0,01 сек. По-
этому допущение этих авторов, состоящее в том, что в их опытах все
клетки равномерно участвуют в фотосинтезе в течение периода осве-
щения, требует ревизии главных выводов, полученных в опытах с ми-
гающим светом. Впрочем, это допущение и необязательно для обосно-
вания их доводов (до тех пор, пока решающее значение имеет дли-
тельность упомянутого выше светового периода).
542
Глава XXlX
Световой фон. Так как в каждый данный момент в опытах Вар-
бурга — Бёрка освещалось лишь 5°/0 общего числа клеток, то, не-
смотря на очень высокую интенсивность использованного красного
света, поправка на дыхание была равной фотохимическому газовому
обмену или даже превышала его. Предполагалось (эту гипотезу мы
обсудим позднее, в этой главе), что действие 'света ниже компенса-
ционного пункта могло заключаться в обращении процесса дыхания
на полпути, до образования конечных продуктов — СО2 и Н2О. Чтобы
проверить эту гипотезу, Варбург, Бёрк и их сотрудники провели
опыты, в которых чистый газообмен при освещении был сделан по-
ложительным, путем замены темновых периодов периодами освещения
реакционных сосудов рассеянным белым светом такой интенсивности,
чтобы фотосинтез был равен дыханию или превосходил его. Этот фон бе-
лого освещения сохранялся также и во время «светового» периода (когда
на фон накладывался измеренный пучок красного света); та^им обра-
зом, «световой» эффект, по которому рассчитывался квантовый вы-
ход, соответствовал приросту газообмена, вызванного приростом
освещения.
Варбург и Бёрк приводили доводы в пользу того, что кван-
товые выходы, полученные этим путем, отвечают истинному фото-
синтезу, с запасанием 112 ккал химической энергии на 1 моль
выделяющегося кислорода, а не являются следствием частичного обра-
щения дыхания (с неизвестным и, вероятно, малым превращением
световой энергии в химическую энергию), поскольку это обращение,
если оно вообще возможно, должно было произойти при освещении
белым светом (фон).
Следует заметить, что этот довод связан с допущением одинаковой
фотосинтетической активности всех клеток: как тех, которые в дан-
ный момент освещены, так и тех, которые находятся в темноте.
Если только фактически освещаемые клетки (или клетки, находя-
щиеся вне зоны освещения менее 0,01 сек.) могут заметным образом
участвовать в фотосинтезе, то имеет значение лишь та часть свето-
вого фона, которая создает освещение этих самых клеток. Эта часть
незначительна, если свет фона падает сверху и поглощается верхним
слоем суспензии, тогда как измеренный пучок красного света по-
ступает в сосуд снизу и поглощается тонким слоем суспензии
у дна сосуда. Варбург и Бёрк [52, 53] описали единичный опыт,
в котором световой фон подобно измеренному пучку света был
направлен на сосуд снизу. Этот свет был достаточно интенсивен для
приблизительно пятикратной компенсации дыхания; тем не менее
добавление измеренного пучка света приводило к приросту выделе-
ния кислорода, эквивалентному квантовому расходу 2,8. К сожалению,
этот исключительно важный опыт был сделан с крайне неудовлетворитель-
ным графиком времени: три 5-минутных цикла свет — темнота в одном
сосуде, с последующими двумя 10-минутными циклами свет—темнота
в другом сосуде.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
543
Квантовый выход в карбонатных буферных растворах. Суспен-
зии клеток, которые в опытах Варбурга и Бёрка давали высокие
квантовые выходы при pH 5 (pH среды, в которой культивировались
клетки), давали в 2—3 раза более низкие выходы (у = 0,10—0,09)
в карбонатных буферных растворах при pH, равном приблизительно 9.
Это наблюдалось как с применением компенсирующего белого света,
так и без него (последние два опыта, приведенные в табл. 52).
Выходы порядка 0,12 и меньше были получены также в бикарбо-
натных растворах, в условиях равновесия, с 5% СО2 в воздухе
(pH 7—8). Из этого явствует, что для клеток, выросших в опытах
Варбурга и Бёрка в кислой среде, даже нейтральные растворы были
«нефизиологическими».
Дыхание при освещении. Вопрос о том, влияет ли свет на дыха-
ние, является главным при измерениях скорости фотосинтеза в сла-
бом свете. Для решения этого вопроса применялись различные не-
прямые методы (см. т. I, гл. XX, а также гл. XXXVI), но они давали
противоречивые результаты, включая все три возможности: «не влияет»,
«стимулирует» и «подавляет».
Простейший подход к решению этой проблемы заключается
в удалении всей двуокиси углерода, в том числе образующейся при
дыхании (например, поглощением щелочью), и измерении поглощения
кислорода на свету, не осложненного фотосинтезом.
Этот прием применялся многократно, но без успеха, потому что не-
посредственное использование для фотосинтеза образующейся при дыха-
нии двуокиси углерода эффективно конкурирует с поглощением этой
двуокиси углерода внешним поглотителем. Действительно, понизить
фотосинтез этим путем намного ниже компенсационного пункта
оказалось трудным. Однако Варбург и сотрудники [51] сообщили,
что с увеличением частоты качания сосудов они смогли добиться
столь быстрого поглощения выделяющейся при дыхании двуокиси
углерода в боковом, наполненном щелочью отводе реакционного
сосуда, что скорость потребления кислорода в суспензиях Chlorella
при освещении была точно такой же, как и в темноте. Они видели
в этих опытах доказательство того, что на дыхание как таковое
совершенно не влияет свет (красный), и полагали, что это доказа-
тельство опровергает все гипотезы, которые постулируют обмен про-
межуточных продуктов между фотосинтезом и дыханием.
Полное исключение фотосинтетического использования выделяю-
щейся при дыхании двуокиси углерода путем ее поглощения внешним
поглотителем является существенным достижением, хотя нужно счи-
тать возможным фотосинтетическое использование СО2 до ее пере-
хода из клетки в среду. Возможно, что Варбург и его сотрудники
добились успеха там, где другие потерпели неудачу, благодаря
применению мигающего освещения. В течение 95% времени периода
освещения каждая отдельная клетка практически находится в темноте.
Дыхание происходит все это время, и вся образующаяся в темноте
544
Глава XXIX
двуокись углерода или, по крайней мере, большая ее часть может
уйти в среду до перехода клетки в зону освещения. Когда молекула
двуокиси углерода находится в среде, то диффузия ее в газовое
пространство более вероятна, чем диффузия в малый освещаемый
объем. Этим путем 80—9О°/о дыхательной двуокиси углерода, обра-
зуемой в течение «периода освещения», могут, вероятно, достигнуть
внешнего поглотителя и тем самым избежать использования для фото-
синтеза. Нужно отметить, что приведенное объяснение было бы
непригодно, если бы, как утверждали Варбург и Бёрк, в течение
светового периода все клетки участвовали в фотосинтезе.
Это объяснение требует также, чтобы не только фоток ата-
литический механизм, обусловливающий выделение кислорода, но
и энзиматический механизм, управляющий поглощением двуокиси
углерода, прекращали свою работу меньше чем за 0,1 сек. после
затемнения клеток. Это, повидимому, противоречит допущениям,
изложенным в т. I, при объяснении поглощения двуокиси углерода
после интенсивного освещения в среде, бедной СО2 (стр. 214), и при
объяснении действия цианида на выход фотосинтеза в мигающем
свете (стр. 317), а также тем допущениям, которые будут использо-
ваны в гл. XXXVI, чтобы сделать понятным потребления СОа в клет-
ках, подвергнутых предварительному освещению. Во всех этих слу-
чаях мы предполагали, что способность потреблять двуокись углерода
сохранялась у предварительно освещенных клеток в течение несколь-
ких секунд (или даже минут) после затемнения. Однако, как и во
многих других случаях, кажущееся противоречие может здесь воз-
никнуть из-за использования качественного («да или нет») подхода
там, где для решения вопроса требуется количественный («больше
или меньше») анализ.
Сводка результатов Варбурга и Бёрка по измерению кванто-
вого выхода. В табл. 52 дана сводка данных Варбурга и Бёрка
[52, 53]. Некоторые из опытов, приводимых в этой таблице, уже
рассматривались выше.
Уиттингэм, Нишимура и Эмерсон [54] могли воспроизвести резуль-
таты Варбурга и Бёрка при строгом соблюдении условий опыта и
последовательности операций. Однако они пришли к заключению,
что эти результаты являются следствием систематической ошибки.
Ниже перечислены главные пункты их критики:
1.	Метод двух сосудов очень чувствителен к малым ошибкам
манометрического определения. Так, ошибка в измерении давления на
0,3 мм в одном из сосудов за 10-минутный период может изменить вдвое
рассчитанный выход кислорода. Эта разница лежит в пределах ошибки
опыта метода Варбурга и Бёрка, тогда как в опытах Эмерсона и Льюиса
были сделаны гораздо более точные измерения при помощи диффе-
ренциального манометра.
2.	Эта малая точность метода ведет к разбросу результатов
(например, в опыте 7 значение 1/f получено из отдельных циклов,
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
545
для которых оно колеблется от 2,3 до 14). Такого рода данные
можно корректировать путем получения средних цифр из достаточно
большого числа циклов. Однако лишь в немногих опытах Варбурга
и Бёрка применялось пять-шесть 10-минутных циклов; в большин-
стве опытов было лишь два-три цикла. Это объясняет, почему
даже усредненная величина l/f колебалась от 2,3 до 4,9.
3.	Случайными ошибками можно объяснить разброс результатов,
но лишь систематической ошибкой можно объяснить постоянство
в получении значений 1/т, заметно более низких, чем данные мано-
метрических опытов Эмерсона и его сотрудников и неманометриче-
ских измерений квантового выхода, проведенных в ряде других лабо-
раторий. Эмерсон видит возможный источник этой ошибки в том,
что Варбург и Бёрк обратились к прежней практике Варбурга и
пренебрегли поправкой на физическое отставание между временем
газообмена в хлоропластах и временем регистрации изменения давле-
ния манометром.
4.	Эмерсон и его сотрудники не смогли подтвердить предположе-
ния Варбурга и Бёрка о том, что это отставание незначительно
вследствие быстрого качания сосудов. Тот факт, что в опытах
Варбурга и Бёрка изменение давления часто было одинаковым
(в пределах ошибки опыта) в течение первой и второй половины
10-минутного светового периода, можно, по мнению Эмерсона, объяснить
компенсацией отставания за счет «бурного» выделения двуокиси
углерода. Эмерсон и его сотрудники также смогли получить в фос-
фатном буфере кривые во времени без явного индукционного периода;
и все же опыты, поставленные в тех же двух сосудах и при той
же скорости качания, но в карбонатном буфере (исключающем
«бурное» выделение СО2), показали значительную длительность
отставания.
5.	В каждом отдельно взятом сосуде физическое отставание стре-
мится уменьшить манометрический эффект при переходе от темноты
к свету (и наоборот) и тем самым приводит к уменьшению расчет-
ного светового эффекта. Это не значит, однако, что расчетные зна-
чения y также должны быть занижены. Квантовый выход и отноше-	1
ние	подсчитаны из световых эффектов в двух сосудах, и вели-
чина ошибки при подсчете 7 зависит от соотношения двух отставаний.
Для двух сосудов, примененных Варбургом и Бёрком, отставание
больше в сосуде с большим газовым объемом, и это ведет к завы-	'
шению расчетной величины квантового выхода. Очень малая систе-
матическая ошибка, вызванная этим различным отставанием (по-
рядка 0,3 мм в 10 мин.), уже вдвое увеличивает расчетную вели-
чину f.
6.	Эмерсон и его сотрудники смогли близко воспроизвести изме-
рения Варбурга и Бёрка (1/7=3—4). Однако результаты получались
совершенно другими в том случае, если световой и темновой периоды
увеличивались до 30 мин. или если вместо сосуда формы при-
35 Зак. 4040. Е. Рабинович
Таблица 52
ЧИСЛО КВАНТОВ СВЕТА, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ 1 МОЛЕКУЛЫ КИСЛОРОДА (1/у) И ДЛЯ УСВОЕНИЯ 1 МОЛЕКУЛЫ
ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА (Q^/1), ПО ПОДСЧЕТАМ ВАРБУРГА И БЁРКА [53], ДЛЯ CHLORELLA PYRENOIDOSA
№ опыта	Условия	Число циклов	Длитель- ность цикла, мин.	Порядок и чередование циклов	1/т	V
	О п ы	ты при	pH 5 (д	в а сосуда)		
1	Без светового фона		6	10	Свет — темнота (циклы чере-	4,62)	1,25
				дуются в двух сосудах)		
2	То же		2	10	То же	3,6	0,84
3	» «		3	10	а »	4,2	1,03
		1	10			
4	а а		1	20	1	» а	2,8 3)	0,82
		1	30	]		
5	а 			5	10	В	W	2,5 <)	0,80
6	. „ — KNO3		4	10	а а	4,2	0,96
7	» » +KNOg		3	10	। » а	3,2	0,76
8	»	V	••••••	1	20	а »	4,8	1,22
la	Тот же материал, что и в опыте 1,	5	5	Свет — темнота, в первом со-		
	белый световой фон немного выше			суде		0,98
	уровня компенсации дыхания	3	5	Свет — темнота, во втором	2,У	
				сосуде		
	Тот же материал, световой фон, вдвое	5	5	Свет — темнота, в первом со-		
	превосходящий уровень компенса-			суде	д	1,П
	ции дыхания	6	5	Свет — темнота, во втором со-		
				суде		
2а
6а
Тот же материал, что и в опыте 2,
световой фон снизу и сверху,
вдвое превосходящий уровень
компенсации
Непрерывный белый световой фон
сверху. Измеренный пучок красно-
го света снизу в «световые перио-
ды»
В начале опыта
Спустя 19 час.
Спустя 14 час. 5)
Белый световой фон сверху, втрое
превосходящий уровень компенса-
ции
Тот же материал, оранжево-красный
свет «преимущественно снизу»,
вчетверо превосходящий уровень
компенсации
2
2
1
2
1
2
2
2
3
3
2
2
3
2
15	Свет — темнота, в первом со- суде		3,9	0,96
15	Свет — темнота, во втором со-			
	суде			
10
30
10
30
10
10
10
10
10
10
5
10
Свет — темнота, в первом со- суде Свет — темнота, во втором сосуде		4,2
Свет — темнота, в [первом со-	
суде	4,8
Свет — темнота, во втором со-	
суде	
Свет — темнота, в первом со-	
суде	3,4
Свет — темнота, во втором со-	
суде	
Свет — темнота, в первом со-	
суде	3,0
Свет — темнота, во втором со-	
суде	
Свет — темнота, в первом со-	
суде	3,5
Свет — темнота, во втором со-	
суде	
0,90
1,11
0,78
0,90
0,98
Продолжение табл. 52
№ опыта	Условия	Число циклов	Длитель- ность цикла, мин.	Порядок и чередование циклов	J/T	Q*l)
9а	Тот же материал, что и в опыте 9, белый световой фон сверху, втрое превосходящий уровень компен- сации	1 1	20 20	Свет — темнота, в первом со- суде Свет — темнота, во втором со- суде	4,4	1,00
26	О пы Тот же материал, что и в опыте 2; дыхание компенсируется белым светом сверху То же, без светового фона	ты при 1 j 1	pH 9,2 5 15 15 15 10 10 10 10 10 10 20	Средняя величина . . . один сосуд) Темнота Свет Темнота Свет Темнота Темнота Свет Темнота Свет Темнота Свет	3,8 10,5 9,8	1,04
				Средняя величина . . .	10,15	—
*) (ДО,/ДСО,) для светового эффекта (см. стр. 535).
°) Среднее из шести циклов; единичный цикл дает значения 1/у от 2,3 до 14.
•) Нет заметных отличий между циклами продолжительностью 10, 20, 30 мин.
Четыре цикла дали близкие результаты; одно значение выпало.
‘) Перед этим измерением вследствие очевидного падения выхода клетки промыты и снова суспендированы в свежей среде.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 549
менялся сосуд формы Л2 (фиг. 231). Каждое изменение приводило
к значению l/f^-9 для той же культуры, которая при процедуре
Варбурга и Бёрка давала 1/f, равный 3—4. Эти изменения не могли
устранить недостатки техники Варбурга и Бёрка, а могли лишь при-
вести к снижению ошибок, возникающих вследствие различного фи-
зического отставания. Однако существенно то, что выход оказался
зависимым как от времени ведения опыта, так и от формы сосуда.
7.	Варбург и Бёрк определили, что значения — ДО2/ДСО2 харак-
теризуются величиной порядка 1 (± 0,2) для светового эффекта
h,
Фиг. 231. Манометрические сосуды для определе-
ния квантового выхода по методу двух сосудов.
Я—сосуд с малым гааовым объемом; и ha—сосуды с боль-
шим газовым объемом.

в опытах с двумя сосудами. Однако это не доказывает отсутствия
«бурного» выделения двуокиси углерода при световом периоде,
так же как и отсутствия ее энергичного поглощения в темноте.
Возможно, что эти явления полностью или частично компенсируют друг
друга (см. выше). Подобная компенсация неизбежна в серии циклов
свет — темнота, когда через несколько циклов устанавливаются при-
мерно стационарные условия. Раздельные подсчеты —ДО2/ДСО2 на
свету и в темноте (см. стр. 537) дают (в тех немногих случаях,
где Варбург и Бёрк приводят необходимые данные) значения, сильно
отличающиеся от единицы. Эти отклонения соответствуют представле-
нию о «бурном» выделении и поглощении двуокиси углерода.
8.	Опыты Варбурга и Бёрка с белым (или красным) световым
фоном неопределенны еще и потому, что они проведены путем после-
довательных, а не чередующихся измерений в двух сосудах. Более
ранние опыты Эмерсона и Льюиса показали, что «бурное» газовыделе-
ние происходит не только при переходе от темноты к свету, но
также при переходе от данной интенсивности света к более высокой;
таким образом, интерпретация опытов с дыханием, компенсированным
(или «сверхкомпенсированным») путем дополнительного освещения,
может не отличаться от интерпретации опытов с чередованием света
и темноты.
550
Глава XXIX
9.	Из заключений Эмерсона и его сотрудников видно, что опыты
Варбурга и Бёрка можно воспроизвести, только строго следуя их
условиям. Однако полученные таким образом результаты обладают
малой точностью (на что указывает большой разброс), и —что более
важно — содержат систематическую ошибку.
Опыты Эмерсона и Льюиса [23, 24], осуществленные при помощи
дифференциального манометра, были намного точнее, чем опыты
Варбурга, Бёрка и других [41, 50—53], а также точнее, чем опыты
Эмерсона и его сотрудников, проведенные в 1949—1950 гг. в тех
же условиях, что и опыты Варбурга и Бёрка. Повидимому, наиболее
надежными из имеющихся сейчас в нашем распоряжении данных
о величине квантового выхода остаются данные, полученные в 1941 г. *
Измерения квантового выхода при помощи манометрического
метода были также описаны в работах Кока [42, 48]. Кок работал
с разбавленными суспензиями водорослей; он считал, что экспери-
ментальные трудности, возникающие в этом случае вследствие рас-
сеяния света, все же меньше, чем трудности, определяющиеся боль-
шой величиной дыхания, неравномерным распределением света в толще
суспензии и прерывистым характером освещения, неизбежным при
сильном перемешивании таких суспензий. Суспензии Chlorella, с ко-
торыми работал Кок, поглощали лишь 30—40% падающего света
(желтые линии натрия); для измерения поглощения света была исполь-
зована сфера Ульбрихта. Кок обнаружил практически линейный ход
световых кривых до весьма высокой интенсивности падающего света,
иногда в 20 раз превышающей интенсивность света, компенсирующего
дыхание (ср. гл. XXVIII)! Определения квантового выхода были сде-
ланы четырьмя различными путями: 1) измерением обмена одной лишь
двуокиси углерода (кислород поглощался хлористым хромом в боко-
вом отводе манометрического сосуда); 2) измерением обмена одного
лишь кислорода (двуокись углерода поглощалась обычным путем,
в карбонатном „ буфере); 3) измерением обмена двуокиси углерода и
кислорода методом двух сосудов; 4) измерением чистого газообмена
в одном сосуде, причем был принят равным 1,09.
Квантовые расходы, 1/Т» были подсчитаны по величине наклона
прямолинейной, восходящей части световой кривой. Таким обра-
зом, предполагалось избежать явного использования поправки на
дыхание (в этом скрыто, конечно, допущение, что дыхание, R,
одинаково при всех тех интенсивностях света, при которых функция
Р — R=f(j} выражается прямой линией). Кок нашел, что подсчи-
танные таким образом выходы зависели от возраста суспензии (см.
фиг. 183), но почти не зависели от температуры и интенсивности
света, при которой культивировались водоросли. Квантовые выходы были
* Новые результаты Варбурга и Бёрка [58, 59] касаются не столько
вопроса о квантовом выходе фотосинтеза, сколько вопроса о механизме
использования кванта света. Они будут описаны в гл. XXXVI н- XXXVII.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 551
приблизительно на 20% выше в кислой среде (вода, культуральная
среда или фосфатный буфер), чем в щелочном карбонатном буфере.
Снижение давления кислорода до 0,25% не влияло на квантовый
выход, так же как не влияли, повидимому, и изменения температуры
от 10 до 20 или 30°.
Значения 1/у, полученные четырьмя методами, лежали в пределах
от 6,9 до 12,9, если не считать нескольких исключительно высоких
величин; среднее значение 1/у для нещелочных сред (методы 1, 3 и 4)
было равно 7,85; для щелочных буферных растворов (метод 2)—при-
близительно 10. По оценке Кока, наиболее вероятное низшее значе-
ние 1/f составляло 6,75.
Наиболее интересной (и спорной) находкой Кока было то, что
линейная экстраполяция световых кривых до 7=0 всегда приводила
к значительно меньшим значениям газового обмена, чем те, которые
должны были бы соответствовать дыханию тех же клеток в темноте.
После более детального исследования Кок пришел к заключению,
что световые кривые претерпевают вблизи компенсационного пункта
внезапное изменение наклона почти вдвое (фиг. 232). Он вывел отсюда
заключение, что квантовый выход был постоянным от области, близ-
кой к насыщению, до области, близкой к компенсационному пункту,
а затем внезапно удваивался. Такую форму световой кривой, состоя-
щей, согласно Коку, из трех практических линейных участков, не
удалось наблюдать ни одному из предшествующих исследователей;
однако Кок видит подтверждение резкого перелома кривой P =
в новом анализе данных Коппа и Габриэльсена.
Если наклон световой кривой изменяется вдвое в компенсацион-
ном пункте, то скорость дыхания при сильном освещении, определен-
ная линейной экстраполяцией световой кривой по ее ходу от ком-
пенсационного пункта до 7=0, указывает на то, что скорость дыха-
ния в темноте вдвое больше скорости дыхания на свету.
Позже [48], применив приспособление, увеличивающее точность
манометрического метода (дифференциальный волюметр), Кок нашел
для 50 опытов с Chlorella, выросшей в среде Кнопа, среднее значе-
ние /?свет = 0,5/?темн (чтобы увеличить /?темн, эти опыты были сделаны
при 30°). Однако перелом кривой P = f(l) был теперь найден не
при компенсирующей дыхание интенсивности света, а при величине
интенсивности, вдвое большей (см. фиг. 232, Л). Поскольку /?свет
было равным 0,5 /?темн, отношение наклонов кривой ниже и выше
перегиба составляло для этих водорослей 1,33, а не 2,0.
У клеток Chlorella, выросших в растворе глюкозы, перегиб был
обнаружен ниже компенсационного пункта (см. фиг. 232, Б). Наклон
прямой ниже перегиба был в этом случае точно вдвое меньше, чем
наклон выше перегиба; это значит, что /?свет было больше, чем
0,5 /?темн, что, вероятно, отражает усиление дыхания цитоплазмы.
Перегиб в той же области (т. е. ниже компенсационного пункта)
был найден также у Haematococcus pluovialis, выросшей на неорга-
552
Г ла» a XXIX
нической среде; но в этом случае наклон ниже перегиба превышал
наклон выше перегиба менее чем в 2 раза. Световые кривые, полу-
ченные с листьями Cabomba, плавающими на карбонатном буфере,
указывали и здесь наличие перегиба; и в этом случае /?Свет~0,5 /?темн.
По мнению Кока, эти опыты указывают на существование двух
световых процессов: «процесса слабого света» (Кок называет его
«световым дыханием»; см. ниже) и «процесса сильного света» (истин-
ного фотосинтеза). У первого процесса 1/7 вдвое меньше, чем у вто-
рого.
Фиг. 232. Световые кривые фотосинтеза при малой интенсивности света [48].
Обладают перегибом вблизи компенсационной точки.
А. Без глюкозы. В. G глюкого^.
Когда наклон кривой в области слабого освещения превосходил
наклон верхней части кривой менее чем вдвое, Кок видел в этом
указание на то, что оба типа световых процессов происходят одно-
временно. Когда наклон при слабом свете составлял точно половину
наклона при сильном освещении, Кок заключал, что «процесс силь-
ного света» не начинался до насыщения «процесса слабого света».
Кок считает, что эти опыты (в результате которых получено
возможное наинизшее значение l/f, равное 6,75 над точкой пере-
гиба) делают правдоподобным квантовый расход, равный 6 для «про-
цесса сильного света» (истинного фотосинтеза), и квантовый расход,
равный 3 для «процесса слабого света» (светового дыхания). Однако,
по заявлению Франка [47], Рике нашел в примененном Коком методе
измерения света ошибку, которая может понизить подсчитанные зна-
чения квантовых расходов на 20%- С этой поправкой величины кван-
товых расходов составят соответственно 8 и 4.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
553
Резкий перелом световых кривых, найденный Коком, весьма мало
вероятен (см. гл. XXVI о малой вероятности постулированного Блэк-
маном резкого перегиба между восходящей и горизонтальной частями
световой кривой). Впрочем, даже если световые кривые закруглены
и не представляют собой ломаных линий, то все же возможно, что
в области малой интенсивности света их наклон оказывается круче,
чем можно было бы ожидать на основании их формы при более
высокой интенсивности света.
Ранее, при объяснении приписываемой цианиду неспособности
снизить фотосинтез ниже компенсационного пункта (т. I, стр. 318),
мы предположили, что компенсация дыхания на свету не требует
«полного» фотосинтеза. Мы встретимся с той же проблемой при
описании исследований дыхания на свету, проведенных Кальвином
и его сотрудниками при помощи меченых углеродных атомов (см.
гл. XXXVI). Из этих опытов Кальвин, подобно Коку, выводит заклю-
чение, что скорость дыхания при сильном освещении составляет лишь
около половины дыхания в темноте (эта сохраняющаяся на свету поло-
вина может представлять ту часть общего клеточного дыхания, которая
происходит вне хлоропластов и поэтому не зависит от освещения).
Кок предположил, что фотосинтез заменяет дыхание путем обра-
зования переносчиков энергии (таких, как богатые энергией фосфаты
или молекулы с высоким энергетическим потенциалом), которые необ-
ходимы организму в процессе обмена веществ и которые обычно
получаются из процесса дыхания. В соответствии с этим Кок посту-
лировал, что первичная световая реакция фотосинтеза обладает двой-
ной функцией, которая состоит: 1) из образования восстанавливающих
и окисляющих агентов (НХ и Z; см. т. I, фиг. 18), способных
соответственно к восстановлению СО2 до СН2О и к окислению Н2О
до О2; 2) из образования молекул с высоким энергетическим потен-
циалом путем реакции трансфосфорилирования, сопряженного с
обратной реакцией между этими первичными продуктами:
НХ + Z + фосфат -* HZ + X + НЕР
(НЕР — молекула с высоким энергетическим потенциалом).
Пока дыхание полностью компенсировано или, скорее, приоста-
новлено за ненадобностью (по крайней мере, в хлоропластах), погло-
щаемый свет расходуется только (или главным образом) для образо-
вания молекул с высоким энергетическим потенциалом. Имеются
данные, что окисление в процессе дыхания одной группы { СН2О }
приводит к образованию 6 молекул с высоким энергетическим потен-
циалом (Очоа, Липман). Кок полагает, что то же число может полу-
чаться при рекомбинации 6 (HX-f-Z) пар и что эти 6 пар могут
быть сами получены за счет 3 квантов света. Таким образом, моле-
кулы с высоким энергетическим потенциалом, содержащие около
20 кал моль запасенной энергии, образуются за счет 1 кванта крас-
ного света (около 40 кал на 1 эйнштейн).
554
Глаа a XXIX
Кок принимает, что квантовый расход над компенсационным пунк-
том равен 6; он постулирует, что здесь также каждый квант обра-
зует 2(HX-j-Z) пары, и что из 12 таких пар (образованных за
счет 6 квантов света) 4 пары (за счет 2 квантов) реагируют далее
с восстановлением {СО2} до {СН2О} и окислением Н2О до О2,
а 8 пар (за счет 4 квантов) вступают в обратные реакции, превращая
8 молекул фосфата с низкой энергией в 8 молекул с высоким энер-
гетическим потенциалом; эти последние, в свою очередь, используются
в качестве переносчиков в процессе восстановления. Таким образом,
требуется 3 кванта для обращения дыхания и 6 — для истинного
фотосинтеза. (Кок не дает объяснения, почему в последнем случае
требуется 8 молекул с высоким энергетическим потенциалом, тогда
как в первом случае их требуется только 6.)
Эта в высшей степени спорная схема, предложенная для объясне-
ния экспериментально показанных значений 1/у от 3 до 6, имеет
близкое отношение к схемам дисмутации энергии (например, таким,
как схемы на фиг. 31 и 32, т. 1), предложенным в гл. IX (т. I)
среди иных возможных схем реакций фотосинтеза и хемосинтеза.
Допущение, что */з общего числа квантов используется при фото-
синтезе для образования окисляющих и восстанавливающих агентов,
а 2/3 — для образования молекул с высоким энергетическим потен-
циалом, т. е. переносчиков, имитирует механизм хемосинтеза, посту-
лированный для водородных бактерий (см. т. I, фиг. 32), согласно
которому 2 молекулы водорода восстанавливают двуокись углерода,
используя энергию, освобождающуюся при окислении 4 молекул водо-
рода кислородом.
Согласно Франку [47] (см. стр. 552), результаты Кока можно
исправить, приняв величину квантового расхода для истинного фото-
синтеза равной 8 (а не 6) и для светового дыхания — равной 4 (а не 3).
Чтобы сохранить картину процесса, предложенную Коком, можно,
например, предположить, что 4 кванта приводят к образованию четы-
рех окисляющих и восстанавливающих агентов (4HX-J-4Z), тогда
как другие 4 кванта образуют, путем обратных реакций других
4 (HX-j-Z) пар, 8 молекул с высоким энергетическим потенциалом.
Здесь теряется численная аналогия с водородными бактериями; однако
более правдоподобно, что 1 квант производит 1 пару HX-f-Z, а не
2 пары, как предполагал Кок.
Ван-дер-Вин [49] при исследовании индукционных явлений мето-
дом измерения теплопроводности (см. гл. XXXIII) нашел для табач-
ных листьев световую кривую фотосинтеза, подобную световым
кривым Кока, т. е. состоящую из прямой линии до 450 лк и другой
прямой, с наклоном вдвое меньшим — от 450 до 3 200 лк. Он
сочетал представления Кока о реакционном механизме фотосинтеза
со схемой, представленной на фиг. 31 (т. I), интерпретируя постули-
рованную этой схемой дисмутацию энергии (см. т. I, стр. 170 и 248)
как образование молекул с высоким энергетическим потенциалом
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
555
путем рекомбинации части первичных продуктов окисления — восста-
новления; эти молекулы усиливают восстановительную способность
не претерпевших рекомбинации продуктов восстановления. Числа,
использованные в этой схеме (8 рекомбинаций на 4 окисления — вос-
становления), взяты из работы Кока; их можно было бы легко заме-
нить другими, например 4 рекомбинациями и 4 реакциями окисления —
восстановления, как на фиг. 31 (т. I); то же касается и числа
потребных квантов (6, 8 и даже 12).
Несколько иное и, вероятно, более правдоподобное объяснение
сравнительно малого квантового расхода при «противодыхании» на
слабом свету предложил Франк [47]. Это многократно нами упоми-
навшаяся возможность использования продуктов дыхания в цикле
фотосинтеза путем обратного восстановления до уровня углеводов.
Для этого процесса требуется меньше квантов, чем для полного фото-
синтеза. Важно отметить, что такое «перехватывание» продуктов
дыхания на полпути не привело бы к отклонению отношения ДО2/ДСО2
от нормальной величины (около 1), поскольку газообмен, измеренный
при слабом свете, соответствует лишь нормальному дыханию (т. е.
дыханию вне хлоропластов). Кальвин предположил на основании
опытов с С14, что пересечение дыхания и фотосинтеза происходит
на уровне яблочной или щавелево-уксусной кислот; однако эти
наблюдения пока противоречивы (см. гл. XXXVI).
Франк [47], объясняя результаты Варбурга и Бёрка посредством
представления о фотохимическом обращении дыхания на полпути,
высказывает предположение о том, что интенсивность этого процесса
зависит от способности промежуточных продуктов дыхания (вероятно,
органических кислот) проникать из протоплазмы в хлоропласты и что
на эту способность влияет физиологическое состояние клетки. Остается
неясным, почему наличие этого явления не могло быть установлено
во многих тщательных исследованиях. Так, Эмерсон и его сотрудники
никогда не наблюдали в области компенсационного пункта какой-либо
кривизны световых кривых, которая могла бы служить указанием на
более низкий квантовый расход в очень слабом свете. Браун и
сотрудники [55] не смогли обнаружить влияния света на дыхание
в опытах с масс-спектрографом: поглощение О16О16 из воздуха про-
должалось при освещении, тогда как О16О18 выделялся в то же время
при фотосинтезе водоросли, в среде с водой, обогащенной О18. Ранее
указывалось, что Варбург и сотрудники [51] пришли к тому же
заключению в результате наблюдения скорости потребления кислорода
в темноте и на свету в условиях, обеспечивающих быстрое удаление
из среды двуокиси углерода, образующейся при дыхании. Предпола-
галось, однако, что эти наблюдения зависят от условий опыта,
а именно: от прерывистости освещения, препятствующей использова-
нию для фотосинтеза большей части продуктов дыхания.
Суммируя вышеизложенное, следует сказать, что возможность
фотохимического использования промежуточных продуктов дыхания
556
Глава XXIX
пока не доказана и вопрос о влиянии этого явления на величину
квантового расхода при слабом свете остается открытым. Имеются
экспериментальные данные и за, и против такой возможности (за —
опыты Варбурга по влиянию цианида на фотосинтез, ломаные световые
кривые Кока и Ван-дер-Вина, опыты Кальвина с меченым углеродом;
против — плавные кривые Эмерсона и Льюиса, опыты Варбурга в среде,
не содержащей СО2, опыты Брауна по исследованию дыхания при
помощи изотопов кислорода). Остается неясным, в какой степени
может объяснить эти противоречия предположение Франка о том, что
хлоропласты не всегда в равной мере проницаемы для промежуточных
продуктов дыхания, образованных в цитоплазме. В связи с этим
существенно знание относительного участия цитоплазмы и хлоропла-
стов в общем дыхании клетки; однако доныне такие определения не
сделаны.
Неманометрические измерения квантового выхода
Результаты неманометрических измерений квантового выхода в целом
лучше согласуются с более низкими значениями (1/у=10±2), най-
денными Эмерсоном и Льюисом, Рике и другими при манометриче-
ских опытах, чем с более высокими цифрами Варбурга и Бёрка
(Т от % до %).
Химические методы. Вюрмзер [4, 5, 6] проделал несколько
определений квантового выхода с зеленой водорослью Ulva lactuca.
Каждый опыт длился несколько часов и состоял в определении изме-
нения концентрации кислорода в растворе по методу Винклера.
Поглощение света было рассчитано по измерению пропускания зеле-
ных и обесцвеченных водорослей (см. гл. XXII), с теоретическим
расчетом светорассеяния (см. стр. 122). Вюрмзер нашел, что в не-
которых из этих опытов значение коэффициента превращения энергии
достигает 50%, что соответствует квантовому выходу в 1/4. Однако
рассчитанный выход в слабо поглощаемом зеленом свете оказался
значительно более высоким, чем выход в сильно поглощаемом крас-
ном свете, что указывает, вероятно, на серьезные ошибки в расчете
поглощения. Поэтому Варбург не считал эти опыты Вюрмзера суще-
ственным подтверждением своих результатов.
Бриггс [7] получил с листьями Phaseolus vulgaris при интенсив-
ности света, в 5—10 раз более высокой, чем у Варбурга и Негелейна,
выходы от 7 до 17 мл О2 на 500 кал поглощенной энергии; с жел-
тыми листьями ясеня — от 5,3 до 8,9 мл\ с зелеными листьями
ясеня — от 12 до 20 мл\ с листьями Sambucus nigra — от 9 до 19 мл.
Эти значения соответствуют квантовому выходу <0,1.
В 1935 г. Габриэльсен, работая с растениями Sinapis alba, по-
лучил, также на основании газоаналитических измерений и путем
экстраполяции световых кривых (см. фиг. 244 и 245) к нулевой
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
557
освещенности, значения е от 0,13 в синем до 0,36 в красном свете,
соответствующие максимальному квантовому выходу 0,1 -+-0,02,
Габриэльсен не подвергал тогда сомнению результаты Варбурга и
думал, что его более низкие выходы связаны с использованием менее
эффективных объектов.
Позже Габриэльсен [40] повторил эти опыты с листьями Sinapis,
Corylas и Fraxinas и нашел значения в пределах от 0,082 до 0,078.
Фиг. 233. Квантовые выходы для Chlorella [13].
Z—3,17 часа, концентрация клеток 3 250 000 в 1 мл; II—4,00 часа,
концентрация клеток 331000 в 1 мл; III—1,03 часа, концентра-
ция клеток 718 000 в 1 мл; IV—4,00 часа, концентрация клеток
718 000 в 1 мл; V—4,05 часа, ковцентрация клеток 1900000
в 1 мл; VI—3,30 часа, концентрация клеток 1 210 000 в 1 мл.
В первой серии исследований, проведенных в Висконсинском
университете, Мэннинг, Штауффер, Дэггар и Даниэльс [12] опреде-
ляли квантовый выход путем газового анализа, сравнивая состав газа
(содержащего приблизительно 5% СО2 и 5°/0 О2), проходящего через
суспензию Chlorella в темноте и на свету. Суспензии были менее
густыми, чем в опытах Варбурга и Негелейна, и поглощали лишь
от 10 до 5О°/о падающего света; интенсивность последнего (зеленые
линии ртутной лампы) была несколько выше, чем в опытах Варбурга
и Негелейна (1 000—1 750 эрг/см2 • сек)', применялись 60-минутные
периоды освещения. Значения 7, полученные по поглощению угле-
кислоты, мало отличались от данных, подсчитанных по увеличению
содержания кислорода; это указывает на близость коэффициента
к единице.
Квантовый выход, полученный в этих опытах, колеблется весьма
сильно — в пределах от 0,01 до 0,1, но никогда не превосходит
последней величины. Еще более низкие выходы (от 0,002 до 0,027)
были получены в опытах с белым светом; в этом случае, однако,
558
Глава XXIX
Концентрация кислорода, отсчет гальванометра
использовались приблизительно в 10 раз более высокие интенсивности
падающего света и уже возможны были явления насыщения. Опыты
с разной техникой проведения (закрытые реакционные сосуды, без
размешивания, аналитическое определение О2 по Винклеру) дали
значение 7 между 0,02 и 0,065.
В другой статье Мэннинг, Джюдей и Вольф [13] описали опыты,
при которых склянки, содержащие суспензии Chlorella, погружали
в озеро на разную глубину и таким образом изменяли интенсивность
освещения от полного солнечного света (600 • 10® эрг]смЪ • сек, не
считая инфракрасного излучения) до 6 • 10® эрг]см^ • сек. Изменение
цвета освещения с глубиной
(см. табл. 22) осложнило
подсчет числа поглощенных
квантов; результаты были
поэтому менее точны, чем
в первой статье. Однако
порядок величины был тем
же, что и в прежних опы-
тах, — около 0,05 при наи-
более низкой интенсивности
света (на глубине 10 л; см.
фиг. 233).
Полярографический ме-
тод. В третьей серии опы-
тов из Висконсинской ла-
боратории Петеринг, Дэггар
и Даниэльс (20] применили
полярографический метод
(см. гл. XXV), позволяющий
определять дыхание непо-
средственно перед периодом
фотосинтеза и после него,
без задержки, присущей ма-
нометрическому методу (см.
фиг. 226). Фиг. 234 пока-
зывает, что полярограф не-
медленно отвечает на пере-
ход от дыхания (в темноте) к фотосинтезу (на свету) и наоборот. На
верхней и нижней кривых освещение ниже компенсационного пункта
и фотосинтез проявляется в уменьшении скорости потребления кисло-
рода; в четырех других кривых концентрация кислорода увеличивается
в процессе фотосинтеза. Кривизна кривых дыхания указывает на не-
надежность подсчетов поправки на дыхание. Для расчетов этой
поправки авторы использовали скорость потребления кислорода
в течение 5 мин. после прекращения освещения. (Этот метод дает
43,00
41,00
39,00
37,00
35,00
33,00
31,00
29,00
27,00
25,00
23,00
Фиг. 234. Фотосинтез и дыханиеChlorella,
измеренные при помощи полярографа [20].
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
559
наивысшую поправку на дыхание и соответственно наивысшее значе-
ние квантового выхода.)
Опыты были сделаны с белым светом. Суспензия поглощала
от 27 до 48°/0 падающего света. Подсчитанные значения квантового
выхода лежали в пределах от 0,045 до 0,100; преимущественно
в области 0,07, без изменения в пределах интенсивности света от
1 000 до 6 000 эрг/см2 • сек.
Мур и Дэггар [44] поставили новые опыты с полярографом.
Суспензия Chlorella освещалась сперва светом одного цвета (интен-
сивность 800—2 500 эрг/см2 • сек), затем добавляли освещение другим
цветом и измеряли добавочный выход. Идея этих опытов заключалась
в том, чтобы устранить неопределенность, порождаемую учетом дыха-
ния на свету путем вычитания из общего газового обмена (в двух
световых пучках) газового обмена при освещении одним пучком
(повидимому, нет разницы между этим методом и подсчетом «у из
разницы выхода при освещении светом одного цвета, но разной
интенсивности). Результаты этих измерений показаны в табл. 53.
Значения у при наложении пучков света (от 0,08 до 0,11) мало
отличаются от значений при освещении единичным пучком (от 0,074
до 0,12). Это обстоятельство может указывать на два явления: при-
близительное равенство квантового выхода в красном и синем свете
(несмотря на поглощение каротиноидов в синем свете; см. гл. XXX)
и приблизительно линейный ход световой кривой до суммарной интен-
сивности двух световых пучков.
Таблица 53
ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КВАНТОВОГО ВЫХОДА CHLORELLA В СВЕТЕ:
КРАСНОМ И КРАСНОМ ПЛЮС СИНИЙ
(по Муру и Дэггару [44])
Начальный пучок света				Добавляемый пучок света				
	/, эрг1см**сек	погло- щение,	Т	X, Л<|А	I, эрг/с.ч^сек	погло- щение, °/о	т	1/Т
650	1958	76	0,074	436	1575	100	0,11	9,1
650	783	46	0,12	—	—	—	—	—
- 435	1288	91	0,09	650	1 180	50	0,10	10,0
650	1610	49	0,10	546	2 532	40	0,08	12,5
650	1392	74	0,10	546	2 437	64	0,09	11,0
650	1188	52	0,11	408	460	77	0,10	10,0
Против полярографического метода измерения квантового выхода
можно выдвинуть ряд возражений, что и сделал Варбург.
1.	Определение числа поглощенных фотонов не было удовлетво-
рительным. Термоэлемент был поставлен непосредственно за реак-
560
Глава XXIX
ционным сосудом; поток энергии, падавший на термоэлемент при
наличии водорослей в реакционном сосуде и без них (освещение парал-
лельным пучком света), умножался на отношение площади сосуда
к площади термоэлемента; разность полученных величин считалась
поглощением водорослей. При таком способе подсчета учитывается лишь
светорассеяние в пучке света, но не учитывается свет, рассеиваемый
под большим углом. Вызываемая этим ошибка ведет к получению
завышенного значения поглощенной энергии и, следовательно, к зани-
женному значению квантового выхода.
2.	Суспензия не размешивалась (размешивание в течение опыта
невозможно по самой природе метода; размешивание между измере-
ниями предпринималось, но, как выяснилось, не влияло на результаты
и было поэтому оставлено). Водоросли не оседали в течение опыта;
размешивание, очевидно, менее важно при определении кислорода
в толще жидкости по сравнению с его определением в газовой фазе
над жидкостью. С другой стороны, возможно исчерпывание двуокиси
углерода непосредственно вблизи клетки, и это явление также может
уменьшить квантовый выход. Однако эта опасность не серьезна при
измерениях в области компенсации.
3.	Хотя среда (питательный раствор, pH 5,5) удовлетворяет «фи-
зиологическим» требованиям Варбурга, однако наличие ртутных ка-
пель создает опасность отравления. Действительно, такое отравление
наблюдалось, но было сочтено слишком слабым, для того чтобы по-
влиять на результаты измерений.
Калориметрический метод. Основы калориметрического опреде-
ления квантового выхода фотосинтеза, т. е. прямого измерения пре-
вращения энергии, е, были описаны в гл. XXV. Арнольд в 1936—1937 ir.
первым произвел эти определения, однако в то время вера в правиль-
ность данных Варбурга (7 = VJ, была настолько сильна, что Арнольд
отнес невозможность воспроизведения в своих опытах результатов
Варбурга за счет несовершенства своего метода и не публиковал своих
работ до 1949 г. (ссылка на эти работы была сделана Франком и
Гаффроном в 1941). Арнольд применял видоизмененные радиационные
весы Каллендера, первоначально сконструированные для измерения
выделения тепла радиоактивными веществами. Их период был так мал,
что полное измерение можно было сделать за время от 1 до 10 мин.
Для измерения брали от 0,05 до 4 ммА клеток в среде Кнопа или
в карбонатном буфере. Ставились два опыта: один с нормальными
клетками Chlorella, другой с теми же клетками, ингибированными
действием ультрафиолетового излучения. Принималось, что ультрафио-
летовый свет не влияет на дыхание (см. т. I, стр. 352). Результаты
показаны в табл. 54.
Измерения при помощи фотокалориметра (см. гл. XXV) проделали
также в Висконсине, Маги, де Витт, Смит и Даниэльс [21], давшие
значения f в пределах от 0,049 до 0,110 (средняя величина из 17
Световой, фактор. Максимальный квантовый выход 561
опытов: т = 0,077, или 1/к=13). Не замечалось явного изменения этой
величины при изменении интенсивности света в пределах между 1 200
и 8 000 apzjcM?  сек.
Позднее Тоннела [34, 36], работавший в лаборатории Вюрмзера
в Париже, опубликовал аналогичные результаты измерений, прово-
дившихся с 1939 г. Тоннела измерял выделение тепла в адиабатиче-
ском микрокалориметре в следующих трех случаях: 1) в калориметр
был заключен освещаемый сосуд с зачерненным дном, наполненный
чистой водой (выделение тепла, Ео); 2) тот же сосуд содержал равный
объем суспензии водорослей в темноте (выделение тепла, за счет
дыхания, Ел); 3) сосуд с суспензией освещался (выделение тепла,
Таблица 54
КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОВОГО ВЫХОДА
(по Арнольду [46])
Клетки	Добавочное тепло, выделяю- щееся при освещении *)		&Нс	юодяе ‘а ’ »|о	ит
	с ингибирован- ными клетками ‘а	со здоровыми клетками Ia~hHc			
Выделение тепла, мквт
Chlorella pyrenol- dosa		5,08	3,70	1,38	27,2	9,5
	4,60	3,80	0,80	17,4	14,8
	4,46	3,90	0,56	12,5	20,6
	2,24	1,90	0,34	15,2	16,9
Лист авокадо ....	0,786	0,656	0,130	16,5	15,6
Chlorella vulgaris	0,912	0,700	0,212	23,2	11,1
Chlorella pyrenoido- sa ........	1,86	1,34	0,52	27,9	9,2
	16,2	12,9	3,3	20,4	12,6
Выделение тепла,		относительные единицы			
Scenedesmus ....	2,63	2,04	0,59	22,4	11,5
	3,24	2,40	0,84	25,9	10,3
Chlorella pyrenoido- sa ........	2,08	1,65	0,43	20,7	12,4
	1,75	1,36	0,39	22,3	11,5
) Освещение неоновой дугой (10—15 красных линий, выделенных прн помощи красного свето-
фильтра) при очень малой интенсивности света: от 61 до 126 »рг!см^-сек.
36 Зак, 4040. Е. Рабинович
Гласа XXtX
Е = Е0-[-ЕБ— ДЯС). Энергетический выход е был:
e = MicIE = (E0 + ER-E)IE,	(29.3)
и квантовый выход, согласно уравнению (29.1), принимая А = 530 мр
(зеленый свет, выделенный фильтром Враттена № 62):
7 = е/(4 • IO"». 530) = е/2,12.	(29.4)
Освещение продолжалось 16 час. без заметного отклонения от
линейного хода (повидимому, благодаря постоянству R и Р); даже
в очень слабом свете (около 1,5 • 10“8 эйнштейн зеленого света на
1 см2 в 1 мин., или 550 эрг/см2 • сек) столь долгое ведение опыта
кажется опасным. Результаты определений Тоннела показаны в
табл. 55.
Опыт 5 показывает, что выход становится низким в очень концен-
трированной суспензии (Тоннела приписывает этот результат ингиби-
рованию газообмена в плотном слое клеток на дне сосуда, но он
Таблица 55
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ,
ОПРЕДЕЛЕННОЕ ПРИ ПОМОЩИ ФОТОКАЛОРИМЕТРА
(по Товнела [34])
№ опыта	Условна	Концентрация клеток в 1 сл&	Коэффициент превращения энергии
1	Отражающее дно	32-106	0,26 (± 0,06)
2	» »	33-106	0,34 (± 0,05)
3	» »	37-106	0,26 (± 0,06)
4	•	ft	56-106	0,31 (±0,05)
5		194-10*	0,08 (± 0,08)
6	Черное дно	36-10*	0,12 (± 0,07)
7	• »	51-106	0,31 (±0,05)
81)	• 	48-10*	0,18
*) С 0,1-процентным агар-агаром.
может также зависеть от эффекта самоингибирования, описанного
в гл. XXVI. Опыт 8 показывает снижение выхода в присутствии
агар-агара; это наблюдение, по мнению Тоннела, объясняет низкие
выходы, которые нашли Маги, де Витт и другие (они применяли агар-
агар для предотвращения оседания суспензии).
Опыты велись в сосудах с черным или отражающим свет дном.
В первом случае значения -f могли быть заниженными (если поглоще-
ние света зачерненным дном принимали за поглощение клеток); во
втором случае они могли быть завышенными (из-за возможной потери
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
563
отраженного излучения). Цифры табл. 55 указывают на реальность
первого эффекта (опыт 6 показывает более низкое значение % при
низкой концентрации клеток), но не обнаруживают влияние отраже-
ния света.
Тоннела на основании этих опытов пришел к тому заключению,
что коэффициент превращения энергии, е, равен приблизительно 0,30,
а вычисленный отсюда квантовый выход равен 1IS. Уравнение (29.1)
дает, однако, значение 7 = 0,030/2,12 = 0,145, или приблизительно 1/1.
Ошибка расчета Тоннела вызвана, вероятно, тем, что он использовал
неверное значение теплового эффекта фотосинтеза
(8,9  10-12 вместо 7,9 • 10-12 эрг}моль).
Квантовый выход фоторедукции водорослей и бактерий
Френч [9], работавший в лаборатории Варбурга, использовал бак-
терии Streptococcus varians для изучения квантового выхода восста-
новления двуокиси углерода молекулярным водородом (см. т. I, гл. V,
стр. 108). Скорость потребления водорода измерялась манометрически.
Из света цезиевой лампы при помощи фильтров были выделены ли-
нии 852 и 894 мр; суспензия поглощала от 17 до 58°/0 этого света.
Квантовый выход, по подсчетам Френча, лежал в пределах от 0,07
до 0,23 превращенной молекулы СО2 (т. е. от 0,14 до 0,46 моле-
кулы водорода) на 1 квант света. Колебания зависели от предвари-
тельной обработки бактерий. По мнению Френча, эти опыты доказы-
вают, что восстановление двуокиси углерода Athiorhodaceae требует
4 квантов на 1 молекулу СО2, подобно фотосинтезу зеленых расте-
ний по Варбургу и Негелейну. Ранее уже указывалось, что световые
кривые, полученные в опытах Френча, имеют сигмообразную форму;
значение 7маво было получено из максимального наклона этих кри-
вых, достигаемого в точке перегиба. Это требует обоснования. Когда
делят увеличение выхода в данной области световой кривой на соот-
ветствующую величину увеличения поглощения света и определяют
полученное отношение как «квантовый выход», то предполагают, что
увеличение интенсивности света приводит к определенной добавочной
величине фотосинтеза, характеризуемой своей собственной величиной
квантового выхода. Вассинк, Катц, Доррештейн [29] полагают, что
это может иметь место в том случае, если бактерии на слабом свету потреб-
ляют преимущественно внутриклеточные органические вещества вместо
реагентов, подводимых извне. По мере увеличения интенсивности света
фотохимический процесс достигает насыщения (вследствие ограниче-
ния подвода субстрата или ограниченной пропускной способности эн-
зиматической системы); нормальное восстановление СО2 за счет «внеш-
них» восстановителей уступает место восстановлению за счет «собствен-
ных» субстратов. Манометрически определяемый квантовый выход
фотохимического процесса, использующего собственные субстраты,
может быть Меньше, чем нормальная фоторедукция по двум причинам.
36*
564
Глава ХХ1Х
1. Когда в качестве «внешнего» восстановителя используется водо-
род, то всякое использование нелетучих внутриклеточных восстано-
вителей снизит скорость потребления газа даже в том случае, если
величина квантового выхода одинакова для обоих типов восстанови-
телей. В опытах Френча [9] со Streptococcus varians световая кри-
вая имеет в качестве ординаты общее потребление газа, ДН2-|-ДСО2;
ее сигмообразная форма может быть вызвана исключительно недо-
статком восстановителей на той стадии опыта, когда используется
только один водород. В опытах того же автора [9] со Spirillum
rubrum был использован нелетучий восстановитель и кривая зависи-
мости ДСО2 от интенсивности света не дала перегиба. Однако в более
поздних опытах Вассинка, Катца и Доррештейна [29J с Chromatium
сигмообразные кривые были получены не только с водородом, но
часто также и с тиосульфатом в качестве восстановителя (см. фиг. 181).
В этом случае требуются другие объяснения.
2. В гл. V (т. I, стр. ПО) было указано, что при использовании
фотосинтезирующими пурпурными бактериями подводимых извне органи-
ческих соединений количество «совместно ассимилируемой» двуокиси
углерода может колебаться в широких пределах (двуокись углерода
может даже выделяться) в зависимости от того, используется ли орга-
ническое вещество главным образом или даже исключительно в ка-
честве донора водорода (как в опытах Фостера со вторичными спир-
тами) или оно служит также источником углерода. Вассинк, Катц и
Доррештейн полагают, что те же соображения применимы и к фото-
химическому использованию внутриклеточных органических веществ;
в этом случае потребление внешней двуокиси углерода также может
быть более или менее полно подавлено использованием углерода (в виде
свежеобразованной двуокиси углерода или промежуточных продуктов
окисления), образуемого при дегидрировании органического восста-
новителя.
Эти два соображения дают правдоподобное объяснение сигмообраз-
ной формы кривой газового обмена, но не оправдывают полностью
способа расчета максимального квантового выхода фоторедукции по
наклону крутой части световой кривой. Прежде всего использование
внутренних восстановителей представляет собой пока только гипотезу.
Более того, даже если эта гипотеза верна, все же возможно, что по
мере возрастания интенсивности света фоторедукция заменяет (а не
только лишь дополняет) фотохимическое превращение внутриклеточ-
ных субстратов. Это может произойти либо вследствие исчерпания
внутриклеточного материала, либо вследствие изменения в энзимати-
ческих системах (как при потере адаптации адаптированных к водо-
роду водорослей; см. т. I, гл. VI). Более точные измерения фотосин-
тетического отношения Д [СО2]/Д [восстановитель] при разной интен-
сивности света, а также исследование влияния интенсивности и
длительности освещения на форму световых кривых могут помочь
выяснению этого положения. До сих пор нет убедительных доказа-
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
565
тельств того, что сигмообразная форма световой кривой действительно
вызвана внутренним фотохимическим процессом, не связанным (или
связанным очень мало) с потреблением газа, и того, что этот процесс
действительно насыщается при очень слабом освещении и затем идет
с постоянной скоростью при увеличении интенсивности света. И до тех
пор пока этих доказательств нет, следует считать законным консерватив-
ный путь интерпретации формы световых кривых и рассматривать сигмо-
образную форму как указание на то, что средний квантовый выход
фоторедукции у сначала растет с увеличением интенсивности света,
а затем снова падает. Измерение у в каждой точке кривой сводится
тогда к измерению наклона прямой, проходящей через эту точку и
начало координат, а не наклона касательной к данной точке. Подоб-
ным образом мы не приписываем вогнутую форму части световой кри-
вой наложению фотосинтеза с низким выходом на продолжающийся
процесс фотосинтеза с высоким выходом, а объясняем эту форму
снижением среднего выхода.
Этим путем мы можем вывести из сигмообразной световой кривой
лишь нижний предел максимального квантового выхода (этот предел
дается наклоном касательной к кривой, проходящей через начало
координат). Этот предел, полученный из данных Френча для Strep-
tococcus varians, улим, равен приблизительно 0,11.
В работе Френча [9] со Spirillum rubrum выход был измерен по
поглощению двуокиси углерода. Выше уже указывалось, что в этом
случае световые кривые не имеют начальной кривизны; их наклон
соответствует квантовому выходу порядка 0,06—0,07. Эти данные
Френч считает ненадежными вследствие неточного определения погло-
щения света. Позднее, однако, выходы подобной же величины были
найдены Вассинком, Катцом и их сотрудниками. В их измерениях
начальная вогнутость световых кривых часто была лишь очень слабой
и не оказывала заметного влияния на подсчитанный квантовый
выход.
Эймере и Вассинк [14] измеряли квантовый выход Thiorhodaceae
с тиосульфатом в качестве восстановителя и цезиевой и натриевой лам-
пами в качестве источника света. Результаты показаны в табл. 56. Нужно
отметить, что эти организмы обладают очень сильным темновым обме-
ном, что затрудняет точную оценку квантового выхода. Наибольшие
значения, наблюдавшиеся в работе Эймерса и Вассинка, составляли
около 0,11.
В более поздней работе из той же лаборатории (Вассинк, Катц
и Доррештейн [29]) дана сводка добавочных определений у для тех
же видов (Chromatium D), включающая измерения при двух разных
pH, как с водородом, так и с тиосульфатом (табл. 57). Данные этой
сводки вычислены из значений ДСО2 и (ДСО2-]-ДН2) порядка 50 или
100 мм^/час. Согласно цифрам оригинальной работы [29], это соот-
ветствует интенсивности света порядка 1 000—3 000 эрг/см? • сек.
566
Глава XXIX
Таблица 5S
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА
ПУРПУРНЫМИ БАКТЕРИЯМИ С ТИОСУЛЬФАТОМ В КАЧЕСТВЕ ВОССТАНОВИТЕЛЯ
(по Эймерсу и Вассинку [14])
Источник света	Интенсив- ность, 101 9рг}см**сек	ACOS на свету	дсоя В темноте	1/Т1)	7
Цезий (850—890 жр.) Натрий (590 жр.)	От 5,2 до 83 От 12 до 105	От+30 до—121 От +12 до—302	От +47 до —1 От +55 до —4	От 9,2 до 35 От 8,8 до 33 ’)	От 0,03 до 0,109 От 0,03 до 0,114
*) Число квантов на 1 молекулу СО».
*) В старых культурах наблюдались значения 1/1 до 175.
Таблица 57
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ CHROMA.TIUU В РАЗНЫХ УСЛОВИЯХ
(по Вассинку, Катцу и Доррештейну [29])
Восстановитель	pH	Темпе- рат^ра.	Число опреде- лений	Пределы колебаний, 1/7	1/7	7
Тиосульфат . .	6,3	29	12	8,5—13,8	10,9	0,092
	6,3	19	1	—	12,8	0,079
Водород . . .	6,3	29	7	8,5—16,0	11,4	0,088
» ...	7,6	29	6	10,6—15,4	12,6	0,080
• ...	7,6	22	1	—	12,1	0,083
Сапожников [10] на основании своих опытов пришел к заключе-
нию, что квантовый выход восстановления СО2 Thiorhodaceae соста-
вляет 1,0. Термодинамическая трактовка автора, обосновывающая
правдоподобность полученных результатов, столь отличных от данных
других исследователей, не может устранить скептическое отношение
к этим результатам. Автор указывает на то, что количество световой
энергии, потребной для восстановления двуокиси углерода, зависит
от окислительно-восстановительного потенциала среды, в которой идет
восстановление. Он нашел экспериментально, что значение этого потен-
циала (в среде, где некоторое время жили бактерии) являлось доста-
точно положительным для восстановления двуокиси углерода с увели-
чением свободной энергии всего на 40 кал]молъ, и предположил, что,
по той же причине, фотосинтез зеленых растений мог бы также тре-
бовать лишь 1 кванта света на 1 молекулу двуокиси углерода. Доводы
Сапожникова игнорируют два факта: 1) что свободная энергия тре-
Световой фактор. Максимальный квантовый выход 567
буется также для установления и поддержания высокого положитель-
ного окислительно-восстановительного потенциала, который, как он
полагает, существует в фотосинтезирующих клетках; 2) что фотосин-
тез является не только восстановлением (двуокиси углерода), но также
окислением (воды или других восстановителей, используемых бакте-
риями), и если некоторое количество энергии экономится при восста-
новительных процессах, то соответственно большее количество энергии
расходуется на окислительные процессы.
Рике [43] определял квантовый выход фотосинтеза зеленой водо-
росли Scenedesmus, которая путем выращивания в анаэробных усло-
виях была адаптирована к использованию молекулярного водорода
в качестве восстановителя (см. т. I, гл. VI). Он нашел, что при
4% СО2 и в 0,025 М КНСО3 квантовые выходы лежали между 0,05
и 0,12, т. е. близко к выходу обычного фотосинтеза тех же водо-
рослей. Эти выходы можно было измерить при интенсивности света
до 7 000 эрг/см2  сек', при большей интенсивности слишком быстро
происходил переход к обычному фотосинтезу.
Квантовый выход выделения кислорода изолированными
хлоропластами
Френч и Рабидо [35] измеряли квантовый выход реакции Хилла
(фотохимическое выделение кислорода из раствора оксалата окисного
железа, сенсибилизированное суспензией хлоропластов). В гл. IV (т. I)
указывалось, что. эта реакция, возможно, отражает «половину фото-
синтеза», а именно: фотоокисление воды, причем вместо двуокиси
углерода окислителем в данном случае служит соль железа. Суспензию
хлоропластов получали из шпината или традесканции путем мацери-
рования и центрифугирования, с последующей добавкой к смеси 0,5 At
К2С2О4 -J- 0,01 М FeNH4(SO4)2 -f- 0,02 М K3Fe(CN)6. Раствор содержал
также 0,20 At сахарозы и 0,17 М Na-сорбитол-боратного буфера.
10-Процентный раствор NaOH вводился в боковой отвод манометри-
ческого сосуда для поглощения двуокиси углерода, которая могла
образоваться при дыхании. Фиг. 235 показывает ход изменения давле-
ния в приборе Варбурга, наполненном этой смесью. Освещение про-
изводилось красным светом 660—720 жр. с максимумом при 685 мр.
Измерения делались при 10°. В табл. 58 даны некоторые типичные
результаты, полученные с хлоропластами шпината. Хлоропласты тра-
десканции дали несколько более низкие выходы.
Квантовый выход лежал в пределах 0,013—0,080, что соответ-
ствует 12—78 квантам на 1 молекулу выделяющегося кислорода.
Средняя величина для хлоропластов шпината была равна 0,042, а для
традесканции 0,030 (на той же установке для живой Chlorella было полу-
чено значение ^=0,092). В условиях опытов (1 400—6 000 эрг!сл^’сек',
от 33 до 72% света поглощалось суспензией) не наблюдалось явного
изменения к с интенсивностью света.
568
Глава XXIX
Эти квантовые выходы реакции Хилла, будучи значительно ниже
квантовых выходов фотосинтеза in vivo, были, однако, ближе к ним,
чем гораздо более высокие выходы сенсибилизированных хлорофиллом
реакций фотоокисления in vivo (см. т. I, стр. 515, а также гл. XXXV
этого тома). Значительные
колебания величины 7 для
реакции Хилла объясняются,
возможно, быстрым паде-
нием активности вещества
хлоропластов. Несколько по-
следовательных опытов, про-
веденных из одной пробы,
обычно дают быстро пони-
жающиеся выходы.
Новые измерения кван-
тового выхода реакции Хилла
в ненарушенных клетках
Chlorella и хлоропластах из
Phytolacca americana были
сделаны в работе Эрмантра-
ута [57]. Определениябыли
Фиг. 235. Выделение газа из суспензии хло-
ропластов шпината при ее освещении [35].
сделаны по отношению к хи-
мическому актинометру, использующему сенсибилизированное этил-
хлорофиллидом окисление тиомочевины. Два измерения квантового
Таблица 58
КВАНТОВЫЙ ВЫХОД ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ПРИ ОСВЕЩЕНИИ СУСПЕНЗИИ
ХЛОРОПЛАСТОВ ШПИНАТА
(по Френчу и Рабидо [35])
Хлорофилл в хлоропла- ста*, мг в сосуде	Интенсивность света, у. кал!см**мин	Поглощение света, °/о	Квантовый выход, 1	Число квантов на 1 молекулу о„ 1/1	Оцениваемая ошибка,
0,15	9,0	72	0,068	15	10
0,15	3,15	71	0,064	16	5
0,34	3,25	83	0,030	33	20
0,39	3,3	88	0,022	46	20
0,10	3,32	57	0,080	12	5
0,10	3,04	51	0,037	27	20
0,063	4,13	56	0,033	31	20
0,103	4,18	54,5	0,013	78	20
0,09	1,6	33	0,058	17	20
0,045	2,8	47	0,031	38	5
0,090	2,8	79	0,036	28	5
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
569
выхода фотосинтеза в карбонатном буфере служили для добавочной
грубой проверки актинометра, поскольку величина 1/у0 обычно равна
10 ±2. Эти результаты (см. табл. 59) более согласованы, чем в опы-
тах Френча и Рабидо. Они были подтверждены также пятью измере-
ниями квантового выхода ненарушенных клеток Chlorella с хиноном.
При этих измерениях пользовались монохроматором (к = 669 лгр.) и
болометром. Полученные значения 1/у составили: 10,2; 9,9; 9,3; 10,8;
12,0 — в среднем 10,4.
Эти данные, полученные в кислой среде (pH 6,5), хотя и косвен-
ным образом, но все же проливают некоторый свет на проблему
Таблица 59
ЧИСЛО КВАНТОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ КИСЛОРОДА
ПРИ РЕАКЦИИ ХИЛЛА )
(по Эрмавтрауту и Рабиновичу [57])
Материал	Окислитель	Квантовый расход
Chlorella Chlorella Хлоропласты (из Phytolacca americana) Chlorella	0,5 мг хинона в 3 мл  1,0 мг хинона в 3 мл 1,0 мг хннона в 3 мл Раствор Хилла Цианоферриат Двуокись углерода 1 (карбонатный буфер № 9) (	12,4 12,6 12,6 13,1 13,1 12,8 /2,«2) 13,5 13,4 14,8 13,3 13,8 9,3 10,2 11,5 11,4 10,6 10,6 12,7 11,0 11,3 13,0 /2,2
*) Падающий световой поток 1,5-10~7 эйнштейн в 1 мин.; температура 10°; 0,2 мл клеток.
s) Цифры, выделенные курсивом, представляют собой средние величины.
570
Глава XXIX
квантового выхода фотосинтеза. Различные кинетические данные указы-
вают на то, что реакция Хилла, так же как и процесс фотосинтеза,
состоит из первичного фотохимического процесса и ограничивающей
скорость процесса темновой реакции.
В свете этих соображений трудно считать случайной одина-
ковую величину квантового выхода реакции Хилла в целых клетках
и у осколков хлоропластов и квантового выхода фотосинтеза в щелочных
буферных растворах. Мало вероятно, чтобы количественно одинаковые
повреждения причинялись фотохимическому аппарату при столь разно-
родных воздействиях, как погружение клеток в щелочную среду,
отравление их хиноном и механическое разрушение при отделении
хлоропластов. Значительно более правдоподобно предположение, состоя-
щее в том, что фотохимический аппарат переживает все эти виды
обработки без серьезных нарушений и что квантовый расход 10 ±2
представляет собой истинную меру эффективности общего во всех
случаях первичного фотохимического процесса. Квантовый расход, зна-
чительно меньше 8, фигурирующий в работе Варбурга и Бёрка для
фотосинтеза в кислой среде, является единственным результатом, не
укладывающимся в рамки вышеизложенных представлений. Вопрос
о том, вызвано ли это расхождение систематической эксперименталь-
ной ошибкой, как полагают Эмерсон и его сотрудники, или заменой
истинного фотосинтеза частичным обращением дыхания, требующим
меньшего числа квантов (Кон, Франк), является самостоятельным и
спорным вопросом.
Максимальный квантовый выход в связи с общим видом
световой кривой
Много времени и изобретательности было потрачено на измерение
квантового выхода фотосинтеза в слабом свете, однако до настоящего
времени не было сделано соответствующих попыток продолжить из-
мерения в области более высокой интенсивности света и увязать
их с определением общей формы световой кривой, описанной в
гл. XXVIII.
Исправления, которые принимают угрожающие размеры при интер-
претации опытных результатов, полученных в слабом свете, по мере
увеличения интенсивности света постепенно теряют свое значение.
Если световые кривые,	являются плавными кривыми, обла-
дающими сравнительно простой формой, допускающей аналитическое
выражение, то следует считать возможным определение начального
наклона этих кривых (т. е. 1/у0) путем экстраполяции по надежным
наблюдениям, полученным в сравнительно сильном свете. По крайней
мере, в качестве добавочного критерия надежности измерения в сла-
бом свете можно использовать условие совместимости этих результа-
тов с измерениями по дальнейшему ходу световой кривой. И, наобо-
рот, надежность результатов, полученных при сильном свете, можно
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
571
иногда проверить, исследуя их совместимость с измерениями кванто-
вого выхода при слабом освещении.
Экстраполяция максимального квантового выхода по измере-
ниям при более высокой интенсивности света. Много эмпириче-
ских световых кривых кажутся практически прямыми до сравнительно
высоких значений интенсивности света. Если эта прямая проходит
через начало координат, то, повидимому, правильно будет заключить,
что тангенс угла наклона этой кривой действительно представляет
максимальный квантовый выход фотосинтеза в условиях данного опыта.
Вероятно, по тангенсу угла наклона можно вывести более надежное
значение у0, чем по единичным измерениям в отдельных точках вблизи
начала координат (хотя бы эти измерения и были сделаны со всей
возможной точностью), так как вблизи начала координат велика отно-
сительная ошибка измерений и поправка на дыхание выше, чем общая
величина измеряемого газообмена.
В том случае, если прямой участок световой кривой не проходит
через начало координат, возможность определения квантового выхода
таким путем представляется сомнительной. Такое определение связано
с допущением, что прирост поглощенной световой энергии приводит
к приросту истинного фотосинтеза, тогда как фотохимический про-
цесс (или процессы), определяющий кривизну световой кривой вблизи
начала координат, продолжается с одинаковой скоростью при любой
интенсивности света выше точки перегиба.
Варбург, Бёрк и сотрудники [51, 52], а также Мур и Дэггар [44]
определили квантовый выход фотосинтеза из отношения прироста выде-
ления кислорода к приросту поглощения в области выше компенса-
ционного пункта; при этом не было замечено систематического отличия
между данными, полученными этим путем, и результатами измерений
при слабом свете (иными словами, в этих опытах световая кривая
выглядела прямой, проходящей через начало координат). Кок [42, 48],
однако, нашел, что P=f(J) является прямой, проходящей выше нуле-
вой точки координат, и отсюда пришел к заключению, что квантовый
выход истинного фотосинтеза ниже квантового выхода фотохимиче-
ского процесса («фотодыхания»), доминирующего при слабом освещении,
насыщающегося вблизи компенсационного пункта и идущего с той же
скоростью насыщения при дальнейшем повышении интенсивности
света. Наконец, Френч, Вассинк и другие, работая с пурпурными
бактериями, обнаружили при умеренном освещении приблизительно
линейные световые кривые, экстраполяция которых по прямой проходила
ниже нулевой точки координат. Они использовали значение тангенса
угла наклона при среднем освещении для расчета «истинного» кван-
тового выхода бактериального фотосинтеза, исходя из того допущения,
что при слабом свете фотохимический процесс либо вообще не при-
водит к потреблению водорода и двуокиси углерода, либо использует
их с гораздо меньшим квантовым выходом, чем бактериальный фото-
572
Глава XXIX
синтез при более сильном освещении. В этом случае также предпо-
лагается, что «процесс слабого света» продолжается с одной и той же
скоростью при любой интенсивности света выше насыщающей.
Обращенная вверх вогнутость световых кривых бактериального
фотосинтеза, повидимому, представляет собой общее явление; однако
наличие у отдельных световых кривых обычного фотосинтеза ясно
выраженной обращенной вниз вогнутости (или даже резкого поворота)
вблизи компенсационного пункта вызывает сомнения. Равным образом
сомнительно утверждение, что световые кривые фотосинтеза (с пере-
гибом в области компенсации или без него) остаются прямыми на всем
протяжении почти до насыщения. По крайней мере наиболее точные
определения в этой области (например, Эмерсона и Льюиса) не обна-
ружили обоих указанных явлений, но показали, что световые кривые
постепенно склоняются вниз с увеличением интенсивности света. Пер-
вые признаки кривизны заметны уже при световом потоке порядка
1 000 эрг] см? • сек.
Такие кривые интерпретировать легче всего: вспомним, что все
кинетические механизмы» анализированные в гл. XXVIII, приводят
к световым кривым гиперболической формы. Более сложный кинети-
ческий механизм может привести к световым кривым высшего порядка;
но, во всяком случае, эти кривые будут приближаться к предельной
величине угла наклона асимптотически, и мало вероятно получить пря-
мые при любом конечном значении интенсивности света. Наиболее
точный метод определения максимального квантового выхода может
состоять в систематическом измерении выхода как функции интенсив-
ности света в области, где отклонения от линейного хода невелики;
в нахождении уравнения, адэкватно представляющего 4 как функцию /,
и в использовании этого уравнения для экстраполяции до 1=0.
Более важно было бы представить всю световую кривую, включая
область насыщения, единым уравнением и подсчитать fo п0 выходам
при сильном свете, используя такие параметры, как максимальный
выход (Рмавс) и интенсивность света, соответствующая половине насы-
щения у/.
Мы видели в гл. XXVII и XXVIII, что теоретические кинетические
кривые, выражающие фотосинтез как функцию снабжения реагентами
(двуокисью углерода, восстановителями, квантами света), представляют
собой гиперболы, даже если постулируется достаточно сложный меха-
низм, если только не вводятся представления о реакциях «третьего
порядка» (таких, как 2CO2-f-A —> А(СО2)2 или Chl-|-2Av —> Chi**)
и если между внешним подводом реагентов и стадией, определяющей
скорость всего процесса, предполагается не более двух последователь-
ных ступеней реакции. Так, например, при учете влияния концентрации
двуокиси углерода одновременное рассмотрение диффузии и карбокси-
лирования приводит к гиперболической кривой; если же вводится еще
одна ступень подачи, то результирующее уравнение будет представлять
собой уравнение третьей степени.
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
573
Известные эмпирические световые кривые слишком ненадежны для
того, чтобы исследовать их соответствие гиперболе (см. гл. XXVIII).
Если бы при помощи новых и более точных измерений было бы воз-
можно показать, что световые кривые действительно представляют
собой гиперболы, то каждая такая кривая полностью определялась бы
тремя точками, т. е. значениями Р при трех известных значениях I.
Такие параметры, как (т. е. тангенс начального угла наклона),
1/2/ или могли бы заменить каждый одно из измерений. Общее
уравнение гиперболической световой кривой, связывающее 70, yj
и имеет следующий вид:
_^+PW_____________________?_)	(29.5)
рмакс р 1	(рмакс^2	рмакс J рмако р рмакс 4	'
Это уравнение получено из общего уравнения гиперболы с пере-
носом в систему координат, имеющую начало в точке на гиперболе
и абсциссу, параллельную асимптоте на расстоянии PMaK0 от этой
последней.
Рассматривая некоторые особо простые механизмы в гл. XXVII
и XXVIII, мы получили световые углекислотные кривые, укладываю-
щиеся в еще более простые уравнения:
или
/>у(/>ма®0 _/>) = const • /,
р/(Р»“»_р) = const • [СО2].
(29.6)
Сравнение показывает, что это упрощение связано с исключением Р2
в уравнении (29.5) и означает действительность соотношения
ъ =	(29.6а)
При помощи этого соотношения весьма просто проверить, обла-
дает ли механизм реакции соответствующей простотой.
Если это так и если соблюдается уравнение (29.6), то дифференциро-
вание по I показывает, что квантовый расход 1/^ является линейной
функцией интенсивности света с отношением l/P”**0, выражающим
тангенс угла наклона:
1/7 = l/7o+(z/^MaKe)-	(29.7)
Возникает вопрос, является ли опытное значение 1/7 линейной
функцией интенсивности света, и если является, то будет ли наклон
полученной прямой соответствовать обратной величине фотосинтеза при
насыщении в сильном свете, 1//>ма1!0.
На фиг. 236 представлена попытка приложить уравнение (29.7)
к данным измерения квантового выхода Эмерсона и Льюиса [32] и
Варбурга [41]. Данные Варбурга имеют слишком большой разброс,
чтобы можно было судить о том, укладываются ли они на прямой;
5?4
Глава XXIX
но если все же принять, что они лежат на прямой, то наклон этой
прямой будет значительно больше, чем в измерениях Эмерсона (что
указывает на гораздо более быстрое падение квантового выхода
с интенсивностью света). По абсциссе на фиг. 236 отложена частота
поглощения световых квантов каждой молекулой хлорофилла (общее
Интенсивность света, зйнштейн/моль Chi -мин.
Фиг. 236. Квантовый расход Chlorella как функция
интенсивности света.
/—по Эмерсону и Льюису [32]; //—по Варбургу [41].
число квантов, поглощенных суспензией в единицу времени, деленное
на число присутствующих молекул хлорофилла). Наклон кривой Вар-
бурга, соответствующий	указывает максимальное выделение
1 молекулы кислорода на 1 молекулу хлорофилла приблизительно за
10 мин.; наклон кривой Эмерсона — Льюиса указывает на выделение
1 молекулы кислорода на 1 молекулу хлорофилла приблизительно
за 1 мин.
В табл. 45 показано, что фактический максимальный выход фото-
синтеза Chlorella при постоянном освещении составляет примерно
Световой фактор. Максимальный квантовый выход &1S
1 молекулу кислорода на 1 молекулу хлорофилла в течение 30 сек.
Быстрое падение кажущегося квантового выхода по мере возрастания /
соответствует тому заключению, что на данные Варбурга оказало
влияние «бурное» выделение двуокиси углерода, так как относитель-
ное влияние этого фактора быстро падает с увеличением интенсив-
ности света (см. выше).
Франк [47] предположил, что быстрое увеличение l/f0 с увеличе-
нием интенсивности света в опытах Варбурга является отражением
постепенной замены четырехквантового процесса (обращения ды-
хания на полпути) восьмиквантовым процессом (истинным фотосин-
тезом).
На стр. 539 были оцисаны более поздние опыты Варбурга,
Бёрка и их сотрудников, которые сообщили, что наивысшие значения
квантового выхода получаются при прерывистом освещении (пре-
обладающем в концентрированных, быстро перемешиваемых суспензиях
Chlorella). Если бы это было так (выше указывалось, что результаты
опытов в мигающем свете не поддерживают предположения Варбурга
и Бёрка), то зависимость между квантовым выходом и средней интен-
сивностью света должна бы быть более сложной, чем та, которую мы
рассматривали выше.
Квантовые выходы при сильном свете. Выше было высказано
предположение, что выходы фотосинтеза, данные для высокой интен-
сивности света, не должны противоречить результатам, полученным
при измерении квантового выхода в слабом свете. Это можно иллю-
стрировать следующими примерами, взятыми из работы Вилынтеттера
и Штолля [1].
Зеленые листья Sambacus nigra (см. гл. XXXII) восстанавливают
двуокись углерода при 6 000 лк со скоростью около 0,23 мг/см2 • час,
или 1,44 • IO-9 моль/см2 • сек. Исходя из того, что 1 лк приблизительно
соответствует световому потоку в 5 эрг/см2 • сек в области 400—700 мр
(см. гл. XXV), а единичный лист поглощает около 8О°/о этого
потока, можно подсчитать коэффициент превращения энергии:
(1,44-IO-»-112-103) кал
(6 • IO3 • 5 • о,24• 10-7 • 0,8) кал
= 0,28,
(29.8)
что соответствует квантовому выходу около 0,13 (принимая среднюю
длину волны света равной 550 мр).
Желтые листья Sambacus восстанавливают при 3 000 лк 0,067 мг СО2
на 1 см2 в 1 час, или 4 • 10_ 10 моль/см2 • сек. Эти листья содержат
менее чем 0,1 количества хлорофилла, имеющегося в зеленых листьях
того же растения. Измерения, подобные представленным на фиг. 57,
указывают, что желтые листья поглощают в области А > 500 мр не
более 2О°/о падающей энергии (синие и фиолетовые лучи ламп нака-
ливания мало влияют на процесс фотосинтеза; см. гл. XXX). Таким
Глава XXIX
образом, оценка значения коэффициента превращения энергии для
желтых листьев дает
(4-10-ю-112-103) кал _031
8~ (3-Юз.5-0,24-10-’-0,4) кал ’ ’
(29.8а)
что соответствует квантовому выходу около 0,14.
Подобные трудности возникают при интерпретации некоторых ма-
ксимальных выходов фотосинтеза, перечисленных в табл. 45 (0,8 или
0,9 мг СО2 на 1 см2 в 1 час). Поскольку можно судить на основании
известных световых кривых наземных растений, выходы, соответствую-
щие насыщению, обычно достигаются при свете интенсивностью
порядка 40 000 лк. Выход, равный 0,9 мг СО2 на 1 см2 в 1 час при
40 000 лк, соответствует среднему квантовому выходу порядка 0,1,
полученному в области почти полного светового насыщения!
Эти оценки содержат слишком много приближений, чтобы их можно
было использовать в качестве количественных аргументов против верх-
него предела 0,10±0,02 для квантового выхода фотосинтеза; но они
показывают, что следовало бы расширить дальнейшие исследования
квантового выхода, проведя их на листьях высших растений, особенно
желтых разновидностей, и исследовать все протяжение световых
кривых.
Теоретический и действительный максимальный
квантовый выход
Все кинетические теории фотосинтеза сходятся в том, что низшая,
приблизительно линейная часть световой кривой соответствует столь
медленному первичному фотохимическому процессу, что нефотохими-
ческие— подготовительные и завершающие—реакции могут без
задержки снабдить процесс исходными соединениями и переработать
образуемые при фотореакции продукты. Может поэтому показаться,
что максимальный квантовый выход, подсчитанный по предельному
наклону световой кривой, должен быть равен числу квантов, действи-
тельно потребных для фотосинтеза (если пренебречь практически ни-
чтожной частью, теряемой в виде флуоресценции). Экспериментально
определяемая величина квантового выхода часто оказывается значи-
тельно ниже 0,1, и этот факт свидетельствует, что во многих случаях
фотосинтетический аппарат или его часть находятся в недейственном
состоянии, что ведет к потере большей части поглощенных световых
квантов. В частности, в «старых» клеточных суспензиях максималь-
ный квантовый выход может быть гораздо ниже, чем у здоровых
молодых клеток (см. фиг. 183). Причины этого неактивного состояния
до сих пор неизвестны и могут быть связаны с недостатком питания или
недостатком энзиматических систем (вспомним, например, опыты Ван-
Хилле по оживлению фотосинтеза постаревших культур Ghlorelld) или с
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
577
выключением каталитической поверхности наркотизирующими продуктами
обмена веществ («хлореллин»; см. гл. XXVI). Под действием даваемых
извне наркотиков (см. фиг. 177) начальный наклон световой кривой
оказывается явно подавленным, т. е. даже при очень слабом освеще-
нии нельзя достигнуть полного квантового выхода. Это следует при-
писать инактивации определенной части хлорофилловых комплексов,
вероятно, за счет адсорбции наркотиков; кванты света, поглощенные
этими комплексами, не используются для фотосинтеза.
Интересен доныне неисследованный вопрос: можно ли хотя бы
частично увеличить этот «подавленный» квантовый выход повышением
температуры? Если низкий выход определяется каким-либо нефото-
химическим процессом, который замедляется настолько, что снижает
скорость фотосинтеза даже при очень слабом освещении, то нагревание
должно ускорить этот процесс и тем самым привести к повышению
квантового выхода; если же это уменьшение квантового выхода свя-
зано с тем, что часть фотосенсибилизирующих комплексов хлорофилла
инактивируется (частично разлагается или инактивируется путем ад-
сорбции), то нагревание не будет влиять на выход.
Возникает также другой интересный вопрос: если все фотосенси-
билизирующие , каталитические комплексы полностью эффективны,
будет ли экспериментально определяемый квантовый выход полностью
соответствовать числу квантов, действительно расходуемых для вос-
становления углекислоты?
Этот вопрос возникает при рассмотрении схем на фиг. 194, 195
и 196, предусматривающих конкуренцию между стабилизирующими
прямыми реакциями и первичными или вторичными обратными реак-
циями. Примеры первичных обратных реакций даны в уравнениях
(28.20а'), (28.21а') и (28.41а'); примеры вторичных обратных реак-
ций— в уравнениях (28.20г) и (28.21г).
На фиг. 194 реакция, определяющая скорость процесса, выражена
уравнением (28.206); скорость этой реакции выражается уравнением
(28.23). Квантовый выход при этом составляет
Pt!Ia = P/fe*/Ch10 = nkr [ACO2]/(fe' + kr [ACOa]). (29.9)
Максимальный квантовый выход, достигаемый при условии [АСО21 = А0,
равен
7о = МО«/(^ + Мо)-	(29.10)
На схеме фиг. 196 скорость определяется уравнением (28.42) и
максимальный квантовый выход дается уравнением (28.43):
l0 = dP/d(k* Chl0/) = feeE°Bn/(fe' + ^£«).	(29.11)
В уравнении (29.9) прямая реакция НХ • СЫ • Z с АСО2 конку-
рирует с первичной обратной реакцией (превращением в X-Chl-HZ);
в уравнении (29.11) стабилизирующая прямая реакция АНСО2. Chi. А'НО
37 Зак. 4040. Е. Рабинович
578
Глава XXIX
с катализатором Ев конкурирует с обратной реакцией (превращением
в АСО2 • Chi • А'Н2О). В любом случае теоретический квантовый выход л
может быть достигнут только при условии, что отношение k'[krh.o
(или й//АеЕ“) значительно меньше единицы.
Признание того, что максимальный наблюдаемый квантовый выход
может быть меньше, чем теоретический квантовый выход, п, было
впервые сделано в выводах Франка и Герцфельда [26] (см. табл. 1
в их работе). Предложенный в их работе механизм реакции, хотя и
более сложный, чем рассмотренный здесь, также основан на конку-
ренции между стабилизирующей прямой реакцией и обратными реак-
циями первичных продуктов восстановления.
Аналитические выражения могут быть более сложны, но существен-
ный результат остается неизменным, когда обратные реакции являются
вторичными, как показано в уравнении (28.21г). Если эти реакции
конкурируют с прямым превращением промежуточного продукта вос-
становления АНСО2 катализатором Ев (или промежуточного продукта
окисления А''НО катализатором Ес), то некоторая часть продуктов
всегда будет претерпевать обратные реакции, даже, если прямые реакции
обладают максимальными возможными константами скорости, как это
бывает в том случае, когда катализаторы, управляющие процессом,
полностью доступны и могут использоваться для превращений (на-
пример, в слабом свете).
ЛИТЕРАТУРА
1.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen fiber die Assimilation der Kohlensaure
Springer, Berlin, 1918.
2.	Warburg O., Negelein E., Z. physik. Chem., 102, 235 (1922).
3.	Warburg O., Negelein E., Z. physik. Chem., 106, 191 (1923).
4.	Wurmser R., Compt. rend., 181, 644 (1923).
5.	Wurmser R., Ann. physiol, physicochimie biol., 1, 47 (1925).
6.	Wurmser R„ J. phys. radium [II], 7, 33 (1926).
7.	Briggs G. E., Proc. Roy. Soc. London, B105, 1 (1929).
8.	Gabrielsen E. K., Planta, 23, 474 (1935).
9.	French C. S., J. gener. Physiol., 20, 711; 21, 71 (1937).
10.	Сапожников Д. И., Биохимия, 2, 18 (1937).
11.	Emerson R., Lewis С. M., Carnegie Inst. Yearbook, 37, 216 (1938).
12.	Manning W. M., Stauffer J. F., Duggar В. M., Daniels F., J. Am. Chem.
Soc., 60, 266 (1938).
13.	Manning W. M„ Juday C., Wolf M„ там же, 60, 274 (1938).
14.	Eymers J. G., Wassink E. C., Enzymologia, 2, 258 (1938).
15.	Wassink E. C., Vermeulen D., Reman G. H., Katz E., Enzymologia, 5, 100
(1938).
16.	Emerson R., Lewis С. M., Carnegie Inst. Yearbook, 38, 118 (1939).
17.	Emerson R„ Lewis С. M„ Am. J. Botany 26, 808 (1939).
18.	Rieke F. F„ J. Chem. Phys., 7, 238 (1939).
19.	Eichhoff H. J., Biochem. Z., 303, 112 (1939).
20.	Petering H. G., Duggar В. M., Daniels F., J. Am. Chem. Soc., 61, 3525
(1939).
21.	Magee J. L., de Witt T. W., Smith E. C., Daniels F., там же, 61, 3529 (1939).
22.	Emerson R., Lewis С. M., Carnegie Inst. Yearbook, 39, 154 (1940).
Световой фактор. Максимальный квантовый выход
579
23.	Emerson R., Lewis С. М., Am. J. Botany, 28, 789 (1941).
24.	Emerson R., Lewis С. M., Carnegie Inst. Yearbook, 40, 157 (1941).
25.	Franck J., Sigma Xi Quart., 29, 80 (1941).
26.	Franck J., Herzfeld K. F„ J. phys. Chem., 45, 978 (1941).
27.	Franck J., Gaffron H., Advances tn Enzymology 1, 199 (1941).
28.	Dutton H. J., Manning W. M., Am. J. Botany, 28, 516 (1941).
29.	Wassink E. C., Katz E., Dorrestein R., Enzymologia, 10, 269 (1942).
30.	Emerson R., Lewis С. M., J. gener. Physiol., 25, 579 (1942).
31.	Franck J., Am. J. Botany, 29, 314 (1942).
32.	Emerson R., Lewis С. M., Am. J. Botany, 30, 165 (1943).
33.	Wassink E. C., Kersten J. A. H„ Enzymologia, 11, 282 (1944).
34.	Tonnelat J., Compt. rend., 218, 430 (1944).
35.	French C. S., Rabiedeau G. S., J. gener. Physiol., 28, 329 (1945).
36.	Tonnelat J., Thesis, Univ, of Paris, Series A, № 2092, serial № 2959 (1946).
37.	Wassink E. C., Enzymologia, 12, 33 (1946).
38.	Варбург О., Люттгенс В., Биохимия, 11, 303 (1946).
39.	Rabinowitch Е., A. A. A. S. Symposium on Photosynthesis, Chicago, Dec.,
1947 (не опубликовано).
40.	Gabrielsen E. К., Experientia, 3, 439 (1947).
41.	Warburg O., Am. J. Botany, 35, 194 (1948).
42.	Kok B., Enzymologia, 13, 1 (1948).
43.	Rieke F. F., cm. Photosynthesis in Plants, The Iowa State College Press,
Ames, la., 1949, p. 251—273.
44.	Moore W. E., Duggar В. M., там же, p. 238—250.
45.	Emerson R., Nishimura M. S., там же, p. 219—239.
46.	Arnold W., там же, p. 273—276.
47.	Fransk J., Arch. Biochem., 23, 297 (1949).
48.	Kok B., Biochim. blophys. Acta, 3, 625 (1949).
49.	Van der Veen R., Physiol, plantarum 2, 217 (1949).
50.	Burk D., Hendricks S., Korzenovsky M., Schocken V., Warburg O„ Science,
110, 225 (1949).
51.	Warburg O., Burk D., Schocken V., Korzenovsky M., Hendricks S., Arch.
Biochem., 23, 330 (1949).
52.	Warburg O., Burk D., Schocken V., Hendricks S., Biochem. Biophys. Acta,
4, 335 (1950).
53.	Warburg O., Burk D„ Arch. Biochem., 25, 410 (1950).
54.	Whittingham С. P., Nishimura M. S., Emerson R., Proc. Soc. Exptl. Biol.,
1950 (в печати).
55.	Brown A. H. and coworkers (Columbus meeting of the Soc. Plant Physiol.,
October, 1950) (1950).
56.	Tanada T., Am. J. Botan., 38, 276 (1951).
57.	Ehrmantraut H. C., Rabinowitch E., Arch Biochem., 1951 (в печати).
58.	Warburg О., Burk D., Naturwissenschaften., 37, 560 (1951).
59.	Warburg O., Burk D., Z. Naturforschung., 6b, 12 (1951).
37*
Глава XXX
СВЕТОВОЙ ФАКТОР. ФОТОСИНТЕЗ И КАЧЕСТВО СВЕТА.
РОЛЬ СОПРОВОЖДАЮЩИХ ПИГМЕНТОВ
Спектр действия
Зависимость фотосинтеза от качества света (спектрального со-
става) интересовала исследователей уже задолго до первых попыток
изучить влияние количества света на этот процесс. Еще в 1788-г.
Сенебье ставил опыты по ассимиляции двуокиси углерода в сосуде
с двойными стенками, наполняя пространство между стенками различ-
ными окрашенными растворами. С тех пор в ботанической литературе
появилось очень много работ о поведении растений при освещении
светом различного спектрального состава (обзор этих исследований
см., например, у Габриэльсена [93]).
Около 100 лет тому назад действие спектрального состава света
на фотосинтез стало предметом оживленной дискуссии. Темой ее было
положение максимума эффективности фотосинтетической деятельности
в солнечном спектре. В 1884 г. Дрэпер [2] нашел, что если призмен-
ный спектр солнца отбросить на растение, то наибольшее количество
кислорода выделяется в желто-зеленой области. Этот результат был
подтвержден такими авторитетами в физиологии растений, как Сакс[3]
и Пфеффер[5]. Сакс указал, что желтый цвет обладает также макси-
мальной «яркостью», т. е. наиболее сильно действует на ретину чело-
веческого глаза. Сам он видел в этом только случайное совпадение,
однако другие, менее осторожные, авторы предположили, что подобное
соответствие не может быть случайным, и пытались найти ему объяс-
нение. Убеждение в том, что фотосинтез протекает наиболее активно
в зеленом свете, который только очень слабо поглощается хлорофиллом,
привело к выдвижению ряда странных гипотез. Предполагали, например,
что световая энергия вообще не нужна для фотосинтеза (Пфеффер [5])
или что роль хлорофилла в растениях заключается только в защите
от повреждения светом системы, восстанавливающей двуокись углерода
(Принсгейм [11, 12, 13, 14]).
Тимирязев [4, 9, 10, 19] блестяще опроверг эти неправильные пред-
ставления. Он указал, что «яркость» представляет собой антропомор-
фическое понятие, не имеющее значения в объективной фотометрии,
что использование света является основной сущностью фотосинтеза,
что это использование не может иметь места, если свет не погло-
щается сенсибилизирующим пигментом, и что таковым может являться
только хлорофилл. Тимирязев был первым, кто применил к фотосин-
тезу понятие о сенсибилизации, незадолго до этого открытой Фогелем
и Беккерелем.
Световой фактЬр. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 581
Такой точки зрения придерживались также и некоторые физики,
например Жамен, Беккерель и в особенности Ломмель [6, 7]. По-
следний указал, что основной принцип фотохимии, известный как
закон Гершеля («только поглощенный свет производит фотохимическое
действие»), требует, чтобы спектральный максимум эффективности
фотосинтеза совпадал с максимумом поглощения сенсибилизирующего
пигмента. Тимирязев [4, 9], Мюллер [8], Энгельман [15] и Рейнке [17]
дали экспериментальные доказательства существования такого .совпа-
дения, показав, что эффективность фотосинтеза зеленых растений
непрерывно уменьшается по спектру от красного, через желтый, к зеле-
ному свету, параллельно с понижением поглощающей способности
хлорофилла. Ошибку Дрэпера, Сакса и Пфеффера Тимирязев объяснил
тем, что они применяли спектрально не чистый свет. Сам Тимирязев
пользовался светом, изолированным при помощи монохроматора с узкой
щелью, и, чтобы компенсировать малую интенсивность освещения,
применял микроаналитические методы. Энгельман полагал, что эта
ошибка могла явиться результатом работы с толстыми листьями или
слоевищами, практически полностью поглощающими свет даже в ми-
нимуме между полосами поглощения хлорофилла. Он работал с микро-
скопическими растительными объектами, применяя подвижные бактерии
для обнаружения и определения кислорода.
Энгельман [15] обратил внимание на то, что, кроме главного макси-
мума в красной области спектра, фотосинтетический спектр действия
зеленых растений имеет второй максимум в голубой или фиолетовой об-
ласти, который он связал с наличием сильной полосы поглощения хлоро-
филла, расположенной здесь же. Этот вполне естественный вывод стал
предметом одного из самых ожесточенных споров в истории фотосин-
теза; его оспаривали даже такие выдающиеся физиологи растений,
как Рейнке [17] и Тимирязев [19]*. Особенно резко выступал Принс-
гейм [20, 21], направлявший свою критику против метода и резуль-
татов Энгельмана. Последний [22, 23] отвечал на эти нападки в таких
выражениях, которые редко встречались на страницах научных жур-
налов даже в полном споров девятнадцатом столетии. В то же время
Энгельман не менее резко упрекал Тимирязева за его попытку [19]
отождествить главный максимум спектроскопической эффективности
с энергетическим максимумом солнечного спектра. Тимирязев видел
в совпадении этих максимумов замечательный пример адаптации орга-
низмов к преобладающим условиям и, следовательно, триумф теории
Дарвина. Энгельман возражал на это, что существование подобного
* Что касается К. А. Тимирязева, то утверждение Рабиновича не соот-
ветствует действительности. В лекции «Космическая роль растения» К. А. Ти-
мирязев подробно разбирает вопрос о втором максимуме поглощения света
и фотосинтеза и решает его в положительном смысле, приводя в доказатель-
ство кривые спектра действия и вариант амилограммы, полученной в отличие
от предшествующих путем выравнивания интенсивности света в красной и
синей областях. — Прим. ред.
582
Глава XXX
совпадения можно признать только при искажении экспериментальных
фактов. Энергетический максимум прямого солнечного света лежит
в желтой области спектра, а не в красной, где находится максимум
спектра действия фотосинтеза; энергетический максимум второго ком-
понента естественного светового поля наземных растений — рассеянного
света неба — лежит еще дальше в направлении к сине-фиолетовому
концу спектра. Также и в этой полемике Энгельман был, безусловно,
прав *.
Оглядываясь назад, нельзя не восхищаться неизменной правиль-
ностью его выводов, полученных с применением таких эксперимен-
тальных методов, которые большинство исследователей не решились
бы использовать даже для качественных, не говоря уже о количест-
венных, исследований. Энгельман не только пришел к правильному
заключению об общем параллелизме между спектром действия фото-
синтеза и спектром поглощения хлорофилла, он также ясно понимал
влияние оптической плотности исследуемого образца на эти оба спектра.
Его уже давно игнорируемые выводы относительно фотосинтетической
активности каротиноидов и фикобилинов теперь, т. е. 65 лет спустя,
повидимому, находятся на пути к реабилитации.
Расхождения между Энгельманом и его противниками в значитель-
ной степени могут быть отнесены за счет недостаточной ясности того
смысла, который вкладывался в понятие «спектр действия». Самое
примитивное определение может быть основано на вышеупомянутом
* Конечно, в этом вопросе прав был К. А. Тимирязев, а не Энгельман.
Если отвергнуть ту точку зрения, что оптические свойства хлорофилла
являют собой пример замечательной приспособленности зеленых растений
к условиям среды, к характеру солнечной радиации, то надо будет считать,
что оптические особенности хлорофилла по отношению к особенностям сол-
нечной радиации являются случайностью.
Однако несостоятельность этой точки зрения слишком очевидна. Признав
ее, мы должны были бы признать громадную цепь самых разнообразных слу-
чайностей, совпадение которых, тем не менее, привело к возможности осу-
ществления сложнейшего, важнейшего биологического процесса — фотосин-
теза.
Эта цепь случайностей должна была бы быть такой: «случайно» у расте-
ний появилось окрашенное вещество (пигмент), обладающее высокой химиче-
ской активностью; «случайно» это вещество оказалось способным поглощать
энергию солнечной радиации, главным образом в той области, в которой она
представлена особенно богато; «случайно» это вещество оказалось способным
направлять энергию солнечной радиации на совершение сложнейших биологи-
ческих реакций и, в частности, при участии других активных агентов — на
окисление Н2О и восстановление СО2; «случайно» это вещество оказалось
почти единственным подходящим для выполнения указанных функций у всех
высших и у многих низших растений.
Такое нагромождение «случайностей» в процессе, в результате которого
существует органический мир на Земле, столь невероятно, что просто пора-
зительно, как еще сейчас можно отрицать идею о ярко выраженных при-
способительных особенностях хлорофилла.
Почему-то, в стремлении не принимать эту гениальную идею К. А. Тими-
рязева, зарубежные исследователи забывают о том, что спектральные осо-
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 583
простом эксперименте Дрэпера: спектр отбрасывается на растение или
клеточную суспензию и фотосинтез измеряется в различных участках
спектра, с выделением полос одинаковой ширины. Подобный экспе-
римент, проведенный с применением призмы и искусственного источ-
ника света, легко может привести к убеждению, что спектр действия
фотосинтеза имеет только один максимум, потому что энергия боль-
шинства искусственных источников света быстро уменьшается к фио-
летовому концу спектра, тогда как дисперсия призмы увеличивается
в том же направлении. Совместное действие обоих факторов вызывает
быстрое понижение выхода фотосинтеза (отнесенного к данной ширине
спектральной полосы) по мере продвижения от красного к фиолетовому
участку спектра, и этого понижения может оказаться более чем доста-
точно, для того чтобы замаскировать некоторое повышение выхода,
вызванное новым подъемом поглотительной способности хлорофилла
в сине-фиолетовой области.
Ясно, что такое определение спектра действия является произволь-
ным и не выражающим сущности явления. Более правильное опреде-
ление можно получить, используя световые потоки одинаковой интен-
сивности при всех длинах волн, что может быть достигнуто, например,
путем соответствующего изменения ширины щели монохроматора или
введения нейтральных серых фильтров. Используя подобные методы,
бенности хлорофилла прежде всего свидетельствуют о приспособлении расте-
ний к использованию наиболее эффективного в фотохимическом отношении
участка солнечного спектра.
В той части солнечного спектра, где лучн представлены квантами, обла-
дающими достаточным запасом энергии для совершения необходимых реакций
фотосинтеза, — в этой части солнечного светопотока именно красные лучи
несут наибольшее абсолютное число наименьших по запасу энергии квантов
и, следовательно, могут обеспечить наибольшее суммарное фотохимическое
действие с наибольшим полезным коэффициентом этого действия.
Ввиду того, что растения нередко оказываются под воздействием избы-
точной радиации, им необходимо поглощать главным образом наиболее выгод-
ные и эффективные лучи. Такими лучами оказываются красные, и красный
максимум в спектре поглощения хлорофилла является прекрасным свидетель-
ством биологической приспособленности хлорофилла и зеленых растений
к условиям среды.
Что касается второго максимума поглощения — в синей части, то,
вероятно, эти лучи обеспечивают осуществление в растениях каких-то специ-
фических н важных в биологическом отношении реакций, на осуществление
которых нужны более «крупные» кванты, и, в частности, кванты волн с X.
около 450 мр.
Вероятно, наличие таких вторичных фотохимических реакций в работе
фотосинтетического аппарата и связанное с этим разнообразие результатов
его работы обусловливает резко различное поведение растений в их росте
и развитии при свете разного качества.
В заключение нельзя не выразить удивления еще и по следующему по-
воду: в гл. XXX, рассматривая вопрос о роли других пигментов, например
пигментов зеленых, бурых и красных водорослей, Е. Рабинович и другие
авторы склонны признать приспособительный характер их оптических свойств.
За хлорофиллом же эта особенность отрицается. — Прим. ред.
584
Глава XXX
Коль [27, 30], Рихтер [28] и Книп и Миндер [31] смогли подтвердить
наличие в спектре действия фотосинтеза второго максимума, лежащего
в коротковолновой части видимого спектра.
Однако даже спектр действия, полученный с применением спек-
тральных полос одинаковой энергии, не является универсальным, т. е.
он не может претендовать на значимость для всех растений и даже
для всех образцов данного вида (например, для всех суспензий Chlo-
relld). Первой причиной изменчивости эквиэнергетического спектра
действия будет различный состав пигментной системы (см. т. I, гл. XV);
но даже у растений с одинаковым содержанием всех пигментов (или
у суспензий одинаковых клеток) спектр действия зависит еще от двух
индивидуальных факторов. Важность одного из них — оптической
плотности образца—была понята еще Зигельманом. Для толстого
листа, или слоевища, или для концентрированной клеточной суспензии
и спектр поглощения, и спектр действия окажутся искаженными;
в предельном случае, когда имеет место полное поглощение (прибли-
зительно так обстояло дело в опытах Варбурга и Негелейна по опре-
делению квантового выхода; см. гл. XXV), спектр действия может
потерять вообще всякую структуру.
Вторым фактором, который влияет на спектр действия индиви-
дуального растения или клеточной суспензии (и не влияет на их спектр
поглощения), является интенсивность освещения. Если применять моно-
хроматический свет такой высокой интенсивности, что при всех длинах
волн будет достигаться полное световое насыщение, то скорость фото-
синтеза (которая в светонасыщенном состоянии определяется только
скоростью темнового процесса) станет одинаковой во всех частях
спектра. Структура спектра действия обнаружится только тогда, когда
интенсивность освещения станет ниже ее насыщающего значения. Так
как насыщающая интенсивность зависит от длины волны, то вид спектра
действия будет изменяться при уменьшении интенсивности света, пока
не будет достигнут практически линейный участок световой кривой
для всех длин волн. Начальное расхождение и последующее совпадение
световых кривых для света различного спектрального состава, получен-
ных Габриэльсеном [93] на зеленых листьях Sinapis alba, можно видеть
на фиг. 245.
В районе низкой интенсивности освещения вид спектра действия
становится постоянным, и этот спектр приобретает, таким образом, опре-
деленное значение. Поэтому здесь, и только здесь, можно количест-
венно сравнивать спектр действия со спектром поглощения исследуе-
мого образца и пытаться получить ответ на вопрос, зависит ли от
длины волны эффективность фотохимических процессов фотосинтеза.
При этом, однако, прежде всего необходимо ввести квантовую
поправку. Согласно закону Эйнштейна о фотохимической эквивалент-
ности, есть основание ожидать, что одинаковое фотохимическое дей-
ствие будет достигаться в результате поглощения одинакового числа
квантов, а не одинакового количества энергии. Таким образом,
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 585
спектр действия необходимо превратить в квантованный, т. е.
выраженный в молях на эйнштейн, а не в молях на эрг или калорию.
В линейном участке будет вполне законным превратить эквиэнерге-
тический спектр действия в квантованный простым делением всех
ординат на соответствующие им длины волн. В районе насыщения
это сделать невозможно, и в этом случае квантованный спектр действия
может быть получен только прямым экспериментом, т. е. измерением
скорости фотосинтеза в спектральных полосах одинаковой интенсив-
ности, выраженной в эйнштейнах на 1 см? в 1 сек., потому что здесь
вид спектра действия зависит от интенсивности света, и спектральные
полосы, которые имеют одинаковую интенсивность при измерении
в единицах энергии, будут различаться по интенсивности при измере-
нии в эйнштейнах.
Если максимальный квантовый выход фотосинтеза является одина-
ковым для всех длин волн, можно ожидать, что квантованный спектр
действия будет точно повторять спектр поглощения; эквиэнергетиче-
ский же спектр действия всегда будет иметь «перекос», так как сине-
фиолетовый свет, при прочих равных условиях, будет казаться менее
эффективным, чем красный.
Если квантованный спектр действия, полученный на основании
измерений при низкой интенсивности освещения, заметно отличается
от спектра поглощения, это может служить определенным указанием
на то, что кванты различной длины волны оказывают неодинаковое
действие при фотосинтезе. Недавние определения квантового выхода
зеленых и окрашенных водорослей в монохроматическом свете, вы-
полненные Эмерсоном и его сотрудниками, Дэттоном и Мэннингом,
а также Блинксом, подтвердили наличие такой разницы и этим уза-
конили все предположения о ее происхождении. Подобные заключения
делались и ранее на основании опытов, поставленных в плохо контро-
лируемых условиях, когда применялось освещение в виде широких
(изолированных посредством окрашенных стеклянных фильтров) спек-
тральных полос неизвестной интенсивности. Выводы, полученные из
экспериментов такого типа (Монфорт), оказывались иногда частично
правильными, но сравнение путаных рассуждений Монфорта с сжатыми
и ясными выводами Эмерсона и Льюиса, Дэттона и Мэннинга дает
наиболее красноречивое свидетельство того, какой прогресс может
быть достигнут в физиологии растений благодаря применению более
совершенных физико-химических методов исследования.
Объяснение того факта, что длина волны оказывает влияние на
максимальный квантовый выход фотосинтеза, можно искать в следую-
щих трех обстоятельствах: 1) в сложной природе пигментной си-
стемы и качественной или количественной разнице фотохимических
функций индивидуальных пигментов; 2) в многочисленности возбуж-
денных электронных состояний хлорофилла, два (или три) из кото-
рых участвуют в поглощении света в видимой части спектра (см.
фиг. 22), и 3) в том влиянии, которое может оказывать колебатель-
586 
Глава XXX
ная энергия, приобретаемая сенсибилизатором вместе с электронным
возбуждением, на его сенсибилизирующее действие *. Первый фактор
приводит к тому, что скорость фотосинтеза в различных участках
спектра зависит от распределения поглощенной световой энергии
между несколькими пигментами, тогда как второй и третий факторы
могут вызвать изменения в эффективности процесса при изменении
длины волны даже в том случае, если свет поглощается только одним
пигментом.
Таким образом, при изучении влияния длины волны света на фото-
синтез следует, во-первых, выявить с качественной и количественной
сторон роль различных пигментов при сенсибилизации и, во-вторых,
исследовать соотношение между длиной волны и фотохимической
активностью для каждого пигмента. Излишне говорить, что мы еще
далеки от того, чтобы иметь ясность в этом отношении. Большинство
из недавно опубликованных работ по фотосинтезу на свету различ-
ного спектрального состава все еще остаются чисто описательными и
непригодны для количественной интерпретации.
Кроме длины волны, качество света характеризуется его поляри-
зацией. Однако при изучении взаимоотношения между светом и фото-
синтезом на эту характеристику почти никто не обращал внимания.
Дастур и Асана [50] и также Джонсон [78] не обнаружили разницы
в скорости фотосинтеза при освещении обычным и линейно-поляризо-
ванным светом одинаковой интенсивности; однако Дастур и Гуникар [62]
установили заметное уменьшение поглощения листьями при исполь-
зовании эллиптически поляризованного света. Гуникар [63] указал
также на наличие подобного уменьшения и для синтеза углеводов.
Хотя можно сомневаться в правильности этих результатов, все же
* По этому вопросу можно сделать еще одно предположение. Фото-
синтетический аппарат способен осуществлять не только одну основную
фотохимическую реакцию, ведущую к фотоокислеиию воды и мобилизации
водорода, но и другие, вторичные фотохимические реакции, может быть, при-
водящие к образованию в процессе фотосинтеза специфических продуктов.
Это можно, например, предположить по отношению к лучам коротко-
волновой (синей) части солнечного спектра. Под действием квантов этих
лучей, возможно, осуществляются, помимо основной, еще и дополнительные
вторичные фотохимические реакции, которые в красных лучах не могут осу-
ществляться вследствие малой энергии их квантов.
Это обстоятельство может быть причиной хорошо известного специфи-
ческого действия лучей разной длины волны и а ход роста, развития, органо-
и формообразования растений.
Можно думать, что наличие и интенсивность хода вторичных дополни-
тельных фотохимических реакций фотосинтеза зависит от условий питания
(например, азотного) и физиологического состояния растений (см. Ничипо-
рович А. А., Известия АН СССР, сер. биол., № 4, 1952; Труды ин-та фи-
зиологии растений, VIII, № 1, 1953).
Пока указанные выше соображения возникают на основании косвенных
данных, но, тем не менее, они должны быть объектом дальнейшей экспери-
ментальной проверки наряду с предположениями, высказанными в тексте.—
Прим. ред.
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 587
следует иметь в виду, что двойное лучепреломление хлоропластов
(см. т. I, стр. 364) и соответствующий этому дихроизм, вероятно,
могут привести к разнице в способности использовать свет различной
степени поляризации. Следует отметить, однако, что в естественном
состоянии в хлоропластах наблюдался только очень слабый дихроизм
(см. т. I, стр. 366).
Связь квантового выхода с длиной волны света
у зеленых растений. Роль каротиноидов
В гл. XXIX при обсуждении вопроса об определении максималь-
ного квантового выхода фотосинтеза зеленых растений мало внимания
было уделено качеству света, использованного для освещения, причем
подразумевалось, что качество света или совсем не имеет значения,
или оказывает только косвенное действие. Измерения квантового вы-
хода в монохроматическом свете были впервые проведены Варбургом
и Негелейном [42] при работе с Chlorella. Результаты приведены
в табл. 60. Квантовый выход для синего света несколько выше, чем
для красного, если его отнести к поглощению только хлорофилла, и
несколько ниже, если его отнести к общему поглощению всех пи-
гментов.
Таблица 60
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ
(по Варбургу и Негелейну [42])
Свет	К, лер.	т	•
Красный . .	610—690	0,23	0,59
Желтый . .	578	0,23	0,54
Зеленый . .	546	0,21	0,44
Синий . . .	436 |	0,201)	0,341)
		0,282)	0,48 2)
*) Отнесенный ко всем пигментам.
9) Отнесенный к одному хлорофиллу.
Если принять, что относительные значения выходов, полученных
Варбургом и Негелейном, являются вполне достоверными (хотя их
абсолютные значения Эмерсон и его сотрудники подвергают сомнению;
см. гл. XXIX), то цифры табл. 60 указывают на действие кароти-
ноидов в качестве сенсибилизаторов фотосинтеза, но с эффектив-
ностью, значительно уступающей эффективности хлорофилла.
Когда Варбург, 25 лет спустя, повторил свои измерения кванто-
вого выхода [106, 111], он опять нашел при освещении синим светом
588
Глава XXX
(Х = 436 лгр) значения, несколько более низкие (0,20 и 0,16 в двух
опытах), чем те, которые были получены при освещении желтым
светом.
Бриггс [46] провел определение выхода фотосинтеза на свету трех
различных спектральных составов и получил результаты, приведенные
в табл. 61. Эти результаты, полученные при интенсивностях света,
в 5—10 раз больших, чем использованные Варбургом и Негелейном,
показывают ожидаемое понижение выхода превращения энергии
с уменьшением длины волны (результаты для Sambucus являются
исключением). Другими словами, эквиэнергетический спектр действия,
как и следовало ожидать, является «перекошенным». Однако получен-
ное понижение выхода при переходе от желтого к синему свету ока-
залось несколько больше того, которое можно объяснить квантовой
поправкой (отношение выходов на желтом и синем свету равно
1,8—2,0 вместо 1,4). Это опять-таки указывает на более низкий
квантовый выход в области поглощения каротиноидов.
Таблица 61
ВЫХОД ФОТОСИНТЕЗА В РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКАХ СПЕКТРА
(по Бриггсу [46])
Вид	Выход, O3 лсг/500 кал падающего света		
	желтый свет	зеленый свет	синий свет
Phaseolus vulgaris . .	14—17	9-11	7-8
Ulmus желтый ....	8,8	6,5	5,3
» зеленый ....	—	20J’	12
Sambucus nigra •. . . .	8,7	9,3	8,7
Sambucus nigra ....	—	19,0	15,0
Вюрмзер [45] нашел для Ulva lactuca гораздо более высокий
квантовый выход при освещении зеленым, чем при освещении красным
светом, и сравнительно низкий выход при использовании синего света,
однако эти результаты нельзя считать надежными (см. гл. XXIX). Данные
Габриэльсена для Sinapis alba [65], приведенные в табл. 63, являются
более реальными. Соотношение между квантовыми выходами на красном
и синем свету близко к тому, которое нашли Варбург и Негелейн, и по-
этому здесь применима вышеприведенная интерпретация. Квантовый
выход для зеленого света оказался здесь, в противоположность результа-
там Вюрмзера, более низким, чем выход для красного света. Возможно,
это служит указанием на то, что желто-зеленый светофильтр, применен-
ный Габриэльсеном, пропускал много света, поглощаемого каротинои-
дами.
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 589
Подробные исследования квантового выхода фотосинтеза в зеленом
растении как функции длины волны были проведены только Эмерсо-
ном и Льюисом [96, 97, 105] с Chlorella pyrenoidosa. Ими были
использованы полосы спектра шириной от 5 до 15 му-, выделенные
посредством светосильного монохроматора. На фиг. 237 приведены
данные этих авторов.
Разброс точек указывает на пределы, в которых возможна биоло-
гическая «стандартизация» клеточных культур. Несмотря на этот раз-
Фиг. 237. Квантовый выход фотосинтеза Chlorella как функция
длины волны [105]. Точки, полученные в 19 различных опытах,
обозначены различными символами. Половина ширины использо-
ванной полосы спектра показана горизонтальной линией в соответ-
ствующем участке спектра.
приблизительно постоянным между 580 и 685 жп (авторы полагают,
что неглубокий минимум около 660 ми реален; об этом см. стр. 595).
Ниже 580 лга выход заметно снижается, достигает минимума при 490 мр,
а затем опять начинает повышаться. При грубой оценке можно сказать,
что понижение кривой квантового выхода в зеленой, синей и фиоле-
товой областях спектра занимает как раз те области, в которых
каротин, лутеол и другие каротиноиды вносят заметную долю в погло-
щение света Chlorella. Попытка количественной интерпретации полу-
ченной кривой квантового выхода наталкивается на ряд трудностей.
На фиг. 92 видно, что если рассчитать величину поглощения кароти-
590
Глава XXX
ноидов, исходя из спектра поглощения экстрактов (сдвинув все полосы
поглощения таким образом, чтобы их максимумы совпадали с макси-
мумами, имеющимися в спектрах живых клеток), то значительного
участия каротиноидов в поглощении света можно ожидать только
ниже 540 Таким образом, понижение 7, которое начинается
при 580 мр, нельзя приписать влиянию каротиноидов, если не пред-
положить, что в живой клетке их полосы поглощения не только сдви-
нуты, но и расширены столь сильно, что доходят до 580 мр. Минимум
кривой, лежащий при 490 мр, согласно фиг. 92, хорошо соответствует
максимуму поглощения каротиноидов (более точно, центру тяжести
двух пиков каротиноидов). Однако обращает на себя внимание сле-
дующее. обстоятельство: по содержанию каротиноидов можно ожидать,
что они должны обусловливать около 60—7О°/о всего поглощения в этой
области спектра; между тем понижение кривой квантового выхода
не превышает 25%. Из этого снова следует, что световые кванты,
поглощенные каротиноидами, нельзя считать полностью бесполезными,
хотя они и используются с меньшей эффективностью.
Можно, однако, считать, что если полоса поглощения сильно рас-
ширяется in vivo (см. выше), то величина поглощения в максимуме
этой полосы может быть значительно меньше, чем in vitro, так как
сомнительно, чтобы площадь этой полосы, пропорциональная вероят-
ности соответствующего электронного перехода, сильно зависела от
состояния пигмента. Вследствие этого доля света, поглощенная кароти-
ноидами в области минимума, может быть на самом деле меньше,
чем 60%, что сокращает вышеприведенное расхождение между этим
поглощением и понижением 7.
Мало вероятно, однако, что наблюдающееся расхождение может
быть полностью элиминировано введением соответствующей поправки,
т. е. мало вероятно, что предположение о наличии сильно расширен-
ной и уплощенной полосы поглощения каротиноидов позволит объяс-
нить кривую квантового выхода, если считать каротиноиды полностью
неэффективными. Среднее понижение квантового выхода между 400
и 580 мр, согласно фиг. 237, составляет приблизительно 15°/0; сред-
няя величина поглощения каротиноидов в этой области, согласно
фиг. 92, близка к 30% поглощения суммы пигментов. Расширение
полосы поглощения способно скорее увеличить, чем уменьшить по-
следнюю цифру. Таким образом, наиболее правдоподобный вывод, кото-
рый можно сделать из результатов Эмерсона и Льюиса, будет тот,
что сенсибилизирующее действие каротиноидов не равно нулю, а дости-
гает примерно 50% сенсибилизирующего действия хлорофилла.
Следует особо подчеркнуть, что все заключения такого типа пред-
полагают как нечто само собой разумеющееся равномерное распреде-
ление пигментов, и заключения эти нужно было бы пересмотреть, если
бы опытным путем удалось показать, что некоторые пигменты обра-
зуют «цветные экраны» между внешним источником света и другими
пигментами.
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождаю щах пагментов 591
Резкое падение квантового выхода при длинах волн выше 680
(см. фиг. 237) будет рассмотрено ниже.
Данные фиг. 237 были получены на концентрированной суспензии,
которая поглощала свет практически полностью при всех длинах волн.
Кроме этого, Эмерсон и Льюис, чтобы иметь возможность прямо срав-
нить на одном и том же исследуемом материале спектр действия
фотосинтеза и спектр поглощения Chlorella, провели измерения с более
разбавленной суспензией, которая пропускала около половины падаю-
щего света. На фиг. 238 показаны полученные ими результаты. Обе
Длина волны, Mfj.
Фиг. 238. Сравнение общего поглощения света у Chlo-
rella с активным поглощением при фотосинтезе [105].
—общее поглощение;-------активное поглощение.
кривые были нанесены на график с таким расчетом, чтобы они со-
впадали при 660 мр.. Как видно на фигуре, кривые заметно расходятся
выше 690 и ниже 570 мр.. Более низкое положение кривой спектра
действия в зеленой, синей и фиолетовой областях спектра показывает
относительно малую роль каротиноидов, но небольшая ширина про-
межутка между обеими кривыми подтверждает вышеприведенное за-
ключение о том, что каротиноиды не являются полностью инертными.
Общее поглощение измерялось прямым способом; «активное» погло-
щение рассчитывалось из фотосинтеза, при предположении, что весь
свет, использованный для фотосинтеза, дает квантовый выход 0,084.
Это значение было выбрано для того, чтобы кривые совпали в крас-
ном участке спектра, где весь поглощенный свет предполагается актив-
ным. Половина ширины использованной полосы спектра показана на
графике. Клетки, с которыми проводились опыты в» красной области
спектра, были взяты из отдельной культуры.
Относительно малое сенсибилизирующее действие каротиноидов
веленых растений при фотосинтезе, обнаруженное в описанных опытах,
592
Глава XXX
может быть либо свойством, присущим в одинаковой степени всем
пигментам этой группы, либо средней величиной; в последнем случае
некоторые каротиноиды могут быть так же эффективны, как хлоро-
филл, тогда как другие могут оставаться полностью неактивными.
На основании анализа поглощения по фиг. 92 кажется невероятным,
чтобы неактивная часть желтых пигментов состояла тод^ко из таких
пигментов, как флавоны и антоцианы, и совсем не содержала кароти-
ноидов.
Можно возразить, что для формы кривой квантового выхода
ниже 570 может существовать и другое объяснение. Это объяс-
нение предполагает, что полная инертность каротиноидов частично
компенсируется повышенной производительностью хлорофилла. Воз-
можная разница между фотохимическим действием хлорофилла в трех
возбужденных состояниях (соответствующих сине-фиолетовой, оран-
жевой и красной системам полос поглощения) является очень важной
проблемой. Имеющиеся материалы дают мало указаний на существо-
вание такой разницы. Как известно, хлорофилл испускает одну и ту
же красную полосу флуоресценции независимо от того, в какой области
спектра происходит возбуждение (см. гл. XXI и XXIII). Основываясь
на этом факте, мы пришли к заключению, что молекулы хлорофилла,
возбужденные до электронных состояний А и В, быстро переходят
без излучения энергии на низший уровень электронного возбуждения Y,
который является высшим уровнем красной полосы флуоресценции.
Однако из данных Ливингстона (см. стр. 160) мы сделали вывод,
что при возбуждении флуоресценции в сине-фиолетовой полосе погло-
щения эффективность такого превращения очень далека от 100%;
другими словами, что значительная часть возбужденных до уровня А
молекул хлорофилла не переходит на уровень У, а изменяется другим
способом (например, переходя в метастабильное состояние; см. схему
на фиг. ПО). Имеет ли это место только для хлорофилла в раство-
рах или так же ведет себя и хлорофилл в живых клетках, остается
пока неизвестным.
Прямая фотохимическая диссоциация хлорофилла in vivo кажется
даже менее вероятной, чем in vitro, если принять во внимание изве-
стную светоустойчивость хлорофилла в живой клетке. Правда, выход
флуоресценции хлорофилла in vivo как функция длины волны воз-
буждающего света (см. фиг. 124) показывает небольшое понижение
в фиолетовом конце спектра; но это понижение скорее всего обу-
словлено присутствием каротиноидов, а не уменьшенной эффектив-
ностью света, поглощенного самим хлорофиллом. В гл. XXIV кривые,
представленные на фиг. 124, действительно интерпретировались как
указание на то, что флуоресценция хлорофилла в Chlorella может
возбуждаться, хотя и с уменьшенной эффективностью, также и свето-
выми квантами, поглощенными каротиноидами, и эта интерпретация
согласуется с кривой квантового выхода фотосинтеза, полученной
Эмерсоном и Льюисом. Следует, однако, заметить, что кривая флуо-
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 593
ресценции на фиг. 124 не имеет минимума при 490 лц, который так
хорошо выражен у кривой квантового выхода на фиг. 237.
Суммируя вышеприведенное, можно сказать, что результаты изу-
чения квантового выхода как фотосинтеза, так и флуоресценции лучше
всего объяснимы, если предположить, что значительная доля (порядка
половины) квантов, поглощенных каротиноидами в зеленых расте-
ниях, переходит к хлорофиллу, переводя последний на уровень Y.
Полученные этим путем кванты хлорофилл может использовать таким
же образом, как и поглощенные непосредственно им самим, или на
фотосинтез, или на флуоресценцию. Весьма вероятно также, что все
или большинство сине-фиолетовых квантов, поглощенных непосред-
ственно хлорофиллом, используются для перехода на флуоресцентный
уровень Y.
Измерения квантового выхода, проведенные Ноддаком и Эйхгофом [90]
и Эйхгофом [89], относятся только к области спектра X > 515 мр
и поэтому не дают никаких указаний относительно функций кароти-
ноидов. Интересным моментом их исследований является высокий
выход в инфракрасной области спектра, поэтому речь о них будет
идти в следующем разделе.
Спектр действия для зеленой водоросли Ulva, измеренный поляро-
графически Гаксо и Блинксом [ИЗ], представлен на фиг. 253, А и
в основном совпадает с результатами Эмерсона и Льюиса.
Фотосинтез зеленых растений в ультрафиолетовой
и инфракрасной областях спектра
Вопрос о том, как далеко простирается фотосинтетически актив-
ная область в ультрафиолетовую сторону спектра, не подвергался
систематическому изучению путем измерений квантового выхода
в монохроматическом свете, хотя, повидимому, считается, что выход
быстро падает фиолетового конца видимого спектра (400 лгр.).
In vitro поглощение хлорофилла захватывает ближнюю и среднюю
ультрафиолетовую область спектра (см. фиг. 3). Возможно, что дру-
гие составные части растительных клеток, поглощающие в этой области,
частично преграждают доступ света к хлорофиллу, действуя как
«экраны». Этот вопрос пока не выяснен, и выяснению его, возможно,
будут способствовать измерения флуоресценции.Уршпрунг [33,34] обна-
ружил признаки фотосинтеза у Phaseolus vulgaris вплоть до 330 мр,
Гувер [73] и Бернс [100] наблюдали его у Triticum при 365 мр.
Габриэльсен [93] высчитал, что возможная доля выхода фотосин-
теза, обусловленная поглощением ультрафиолетовой части солнечного
спектра листьями Sinapis и Corylus, составляет 1 мг СО2 на 50 см*
в 1 час.
Джонсон и Левринг [108], применив метод Винклера, нашли для
шести морских водорослей (зеленых и красных) понижение дыхания
примерно на 1 мг О2 в 1 час на 1 г сухого веса в ближней ультра-
38 Зак. 4040. Е. Рабинович.
594
Глава XXX
фиолетовой области спектра (366 лр., интенсивность 5 • 10~4 кал) см* •
• мин). Это было интерпретировано как свидетельство фотосинтети-
ческой эффективности этой области спектра, В более далеком ультра-
фиолете (260—320 лр.) при интенсивности, приблизительно равной
той, какую имеет часть солнечного излучения, действующая раздра-
жающе на кожу, подобный эффект не наблюдался.
Свет с длиной волны ниже 300 мр крайне вреден для растений.
Согласно данным Мейера [51, 58, 71], освещение с интенсивностью
1 000 эрг) см* • сек убивает клетки Chlorella в ПО сек. при А = 260 мр
и в 10 000 сек. при X = 302 мр. Преимущественное подавление фото-
синтеза (клетки остаются живыми и дышат) резонансной линией
ртути 253,6 мр было описано Арнольдом [53] (см. т. I, гл. XIII,
стр. 353). Это подавление не связано с видимым разрушением хлоро-
филла.
Присутствие желтых пигментов (например, флавонов, антоцианинов
или других гидрофильных соединений, которые могут находиться либо
в клеточном соке, либо в клеточных стенках) может вызвать сниже-
ние или полное прекращение фотосинтеза в сравнительно длинноволно-
вой области спектра. Возможно, что именно этой причиной объяс-
няется обнаруженное Бернсом [55, 57] прекращение фотосинтеза
в области А _> 450—465 мр у некоторых хвойных деревьев, например
у ели и серебристой сосны (см. ниже).
В спектре экстрагированного хлорофилла поглощение быстро
уменьшается при длинах волн выше 680 мр; спектр поглощения
неповрежденных клеток, кроме сдвига красной полосы поглощения от
660 до приблизительно 680 лр, обнаруживает еще расширение погло-
щения до гораздо более длинных волн. Такое расширение красной
полосы можно видеть, например, на фиг. 57—71, 92 и 97; оно наблю-
дается также в спектре водных суспензий вещества хлоропластов
(Смит, фиг. 33). В последнем случае инфракрасный «хвост» красной
полосы исчезает при осветлении суспензии дигитонином; по мнению
Смита, он является результатом рассеяния («ложного поглощения»).
Однако в других исследованиях, например Ноддака и Эйхгофа (фиг. 68),
поглощение в далекой красной области было найдено также при таких
измерениях, которые дают, повидимому, величину «истинного» по-
глощения. Оно может быть обусловлено или действительным рас-
ширением красной полосы хлорофилла, или присутствием других ком-
понентов, поглощающих инфракрасное излучение (например, железных
солей). Вопрос об инфракрасной границе фотосинтеза тесно связан
с интерпретацией этого инфракрасного «хвоста» поглощения. Опыт-
ные данные Эмерсона и Льюиса [105] и Блинкса и Гаксо [ИЗ], с одной
стороны, и Эйхгофа [89] — с другой, находятся в резком противоречии.
Как видно на фиг. 237, Эмерсон и Льюис обнаружили резкое падение
квантового выхода при длинах волн выше 680 л<р; эта часть их кри-
вой более детально воспроизведена на фиг. 239. Для того чтобы убе-
диться, что это падение не обусловлено неполным поглощением (вспомним,
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 595
что кривая фиг. 237 получена по методу Варбурга и Негелейна, рас-
считанному на наличие полного поглощения), Эмерсон и Льюис провели
измерение с несколькими суспензиями постепенно увеличивающейся
плотности и экстраполировали результаты к бесконечной плотности.
Полученный результат представлен сплошной линией на фиг. 239.
Она показывает, что даже при значительной поправке на неполное
поглощение все еще остается резкое падение величины у приблизи-
тельно от 0,08 при А = 680 жр.
до 0,02 при А = 730 жр..
Подобное же понижение 7
при А > 630 жр, было отмечено
Блинксом и Гаксо [113] для зе-
леной водоросли UIva taeniata
(см. фиг. 253, А), Эмерсоном
и Льюисом [96] для сине-
зеленой водоросли Chroococcus
(см. фиг. 251) и Танадой [115]
для диатомеи Navicula minima
(см. фиг. 247). Эрмантраут [114]
сообщил о таком же явлении
для реакции Хилла в суспензии
Chlorella. Ливингстон (см.
гл. XXIII) обратил внимание на
падение выхода флуоресценции
хлорофилла (в эфире и ацето-
не) в той же самой области
спектра.
Фиг. 239. Понижение квантового выхо-
да в далекой красной области спектра
[105]. Разными знаками показан кажу-
щийся выход трех суспензий различной
плотности, рассчитанный для одинаковой
интенсивности падающего света. Сплош-
ная линия представляет экстраполяцию
до истинного выхода (полное прглоще-
ние); предполагается, что разница между
кривыми для различных суспензий обу-
словлена неполным поглощением.
Эмерсон и Льюис допуска-
ли, что снижение квантового
выхода на инфракрасной стороне
максимума поглощения хло-
рофилла а повторяется также
и на красной стороне максимума
поглощения хлорофилла Ь и что
этим объясняется наличие не-
большого минимума кривой,
который виден на фиг. 237
около 660 жр, (максимум погло-
щения хлорофилла b in vivo должен быть расположен около 648 жр.;
см. гл. XXII).
Попутно можно указать, что кривая квантового выхода, получен-
ная Эмерсоном и Льюисом, дает прямое доказательство неправильности
гипотезы Зейбольда [94], состоящей в том, что хлорофилл Ь совсем
не участвует в сенсибилизации восстановления двуокиси углерода,
а является специфическим сенсибилизатором процесса полимеризации
сахаров в крахмал.
38*
596
Глава XXX
В резком противоречии с результатами Эмерсона и Льюиса нахо-
дятся данные Ноддака и Эйхгофа [90] и Эйхгофа [89], которые
обнаружили (см. табл. 62), что квантовый выход Chlorella остается
высоким даже при К = 832,5 мц.
Таблица 62
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ
(по Эйхгофу)
X, .ир.	1	X, лгр.	т
832,5	0,164	598	0,238
780	0,204	576,5	0,263
750	0,244	558	0,238
725	0,228	542	0,204
685	0,179	. 527,5	0,232
650	0,204	515	0,222
622	0,228		
На фиг. 240 приводится сравнение спектра действия со спектром
поглощения Chlorella, согласно данным Эйхгофа; обе кривые остаются
Фиг. 240. Спектр действия для Chlorella [89].
На шкале слева отложено поглощение СО2.
— поглощение света;-----поглощение СО,, /—концен-
трированная суспензия, 15 мин.; II—разбавленная суспензия,
30 мин.
параллельными далеко за 680 мр. Даже если правильность получен-
ных Эйхгофом абсолютных значений квантового выхода можно под-
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 597
вергнуть сомнению (см. гл. XXIX), все же зависимость этих значе-
ний от длины волны может быть вполне реальной: на нее не влияет
ошибка в калибровке. Одно из возможных, однако далеко не надеж-
ных объяснений наблюдаемой разницы между кривыми квантового
выхода в далекой красной области состоит в том, что только Нод-
дак и Эйхгоф измеряли действительное поглощение, тогда как дру-
гие авторы относили выход к сумме поглощения и рассеяния. Разъ-
яснение этого вопроса особенно желательно ввиду того, что пониже-
ние 7 с увеличением длины волны, которое наблюдали Эмерсон, Льюис,
Гаксо и Блинке, может иметь большое теоретическое значение. Гаксо
и Блинке [113] наблюдали в спектре действия Ulva (см. фиг. 253)
точно такое же понижение кривой в далекой красной области, какое
нашли Эмерсон и Льюис для Chlorella. В общем следует принять,
повидимому, что большая часть экспериментальных данных свидетель-
ствует против результатов Ноддака и Эйхгофа. Это удивительно, так
как с теоретической точки зрения скорее следует ожидать, что кван-
товый выход должен оставаться постоянным в пределах красной по-
лосы поглощения хлорофилла. Весь опыт фотохимии говорит о том,
что длина волны не имеет значения для фотохимического действия
в пределах одной и той же системы полос поглощения, даже если
эта система настолько широка, что занимает весь видимый спектр.
Это объясняется тем, что в пределах одной системы полос энергия
электронного возбуждения является постоянной и весь избыток энер-
гии, поглощенной молекулой, идет только на увеличение ее колеба-
тельной и вращательной энергии. Если первичным фотохимическим
актом будет диссоциация поглотившей свет молекулы, то единствен-
ный результат перемены в длине волны выразится в том, что про-
дукты диссоциации начнут отделяться с другой относительной ско-
ростью. Обычно избыток энергии не влияет на окончательную судьбу
продуктов диссоциации благодаря тому, что он теряется при соуда-
рениях прежде, чем наступит следующая стадия реакции. Если пер-
вичный фотохимический акт представляет собой электронное возбу-
ждение, то избыток колебательной энергии, приобретенной поглотившей
свет молекулой, опять-таки обычно теряется, прежде чем произойдет
вторичная реакция. Однако здесь иногда наблюдаются исключения.
В некоторых случаях энергия электронного возбуждения слишком
мала, чтобы произвести диссоциацию без помощи некоторого коли-
чества колебательной энергии (примером может служить замедленная
мономолекулярная фотодиссоциация больших молекул, описанная Фран-
ком и Герцфельдом [74] и рассматриваемая в гл. XVIII как возмож-
ное следствие поглощения сине-фиолетового света хлорофиллом).
В других случаях присутствие избытка кинетической энергии может
помочь продуктам диссоциации, образующимся в среде с плотной
упаковкой молекул, избежать немедленной рекомбинации (Франк и
Рабинович [591). Кроме того, колебательная энергии возбужденного
состояния может играть непосредственную, роль в химической акти-
598
Глава XXX
вации; это особенно вероятно в тех случаях, когда партнер по реак-
ции образует комплекс с поглощающей свет молекулой, так что
никакие соударения, вызывающие рассеяние энергии, не могут
иметь места между первичной и вторичной фотохимическими реак-
циями.
Последнее объяснение понижения величины квантового выхода
фотосинтеза казалось бы весьма вероятным, если бы эксперименталь-
ные кривые давали указания на то, что для фотосинтеза требуется
определенный минимум колебательной энергии у молекулы, находя-
щейся в электронно возбужденном состоянии. Однако, согласно Эмер-
сону и Льюису, это понижение происходит в пределах одной и той
же полосы поглощения (а не при переходе от одной полосы к дру-
гой, например от оранжевой к красной). Это трудно понять, так как
в пределах одной полосы поглощение всегда приводит не только
к одинаковому электронному, но также и к одинаковому колебатель-
ному состоянию (во всяком случае, это имеет место для полосы вы-
сокочастотных колебаний).
Можно предположить, что красная полоса хлорофилла не пред-
ставляет собой одну полосу, а содержит ряд тесно группирующихся
колебательных полос. Однако колебательные полосы, расположенные
на инфракрасной стороне главной электронной полосы поглощения,
обусловливаются, вероятнее всего, колебательными состояниями основ-
ного состояния молекулы и приводят к тому же самому возбужден-
ному состоянию, что и главная полоса. Поэтому уменьшение кванто-
вого выхода не может быть объяснено подобным образом.
Возможно также, что красная полоса поглощения хлорофилла скры-
вает в себе полосу, соответствующую другому электронному пере-
ходу. В схеме, представленной на фиг. 22, предполагается, что срав-
нительно слабая полоса Хо —> Ао скрыта под сильной полосой Хо-+ Yo.
Можно предположить поэтому, что поглощение живых клеток в дале-
кой красной области вызывается сдвигом полосы Хо —> Ао, а не рас-
ширением полосы Хо—> Yo. Можно также представить себе, что в серии
переходов Х0-^-Ай, Xq—^A^ Хо^-А2 вслед за теми переходами, ко-
торые ведут к колебательным состояниям Аи А2 и обусловливают нали-
чие полос хлорофилла в оранжевой, желтой и зеленой областях спектра,
имеют место переходы без излучения энергии в состояние Y, тогда как
первый переход, приводящий к бесколебательному состоянию Ао, не
может вследствие недостаточной энергии возбужденного состояния
дать такого результата и поэтому бесполезен при фотосинтезе.
Прежде чем подробно разобрать любую из вышеприведенных гипо-
тез, необходимо убедиться в том, не обусловливается ли обнаружен-
ное Эмерсоном и Льюисом падение у в области спектра X > 680 л<|х
какой-нибудь более тривиальной причиной, например рассеянием (Эмер-
сон и Льюис считают это мало вероятным), присутствием солей железа
или других неорганических соединений, поглощающих инфракрасное
излучение, или наличием фотосинтетически неактивных пигментов
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 599
с полосой поглощения, заходящей за пределы 680 ми. (может быть,
хлорофилла d, см. ниже).
Опыты, в которых низкий выход фотосинтеза в фильтрованном
крайне красном или инфракрасном свете наблюдался без измерения
поглощения (Уршпрунг [34, 35], Габриэльсен [93] и другие), имеют
очень мало значения, так как определенно установлено, что способ-
ность листьев к поглощению быстро уменьшается в этой области
спектра. Чтобы получить реальные результаты, необходимо установить,
падает ли выход фотосинтеза пропорционально поглощению или более
быстро, чем последнее.
Гувер [73] наблюдал наличие фотосинтеза у пшеницы вплоть до
750 лр, а Бернс [54, 55, 57] у различных хвойных — до 740 .ир..
Монохроматические световые кривые и спектр действия
фотосинтеза на сильном свету
Если увеличивать интенсивность монохроматического света, то
вскоре достигается интервал интенсивности, в котором вид спектра
действия становится непостоянным. Световые кривые изгибаются
раньше или позже и достигают насыщения более или менее быстро
в зависимости от величины коэффициента поглощения и оптической
плотности исследуемого образца. В первом разделе данной главы было
постулировано, что, когда все кривые достигнут насыщения, скорость
фотосинтеза должна стать независимой от длины волны и спектр
действия должен потерять всякую структуру. Теоретические и экс-
периментальные обоснования этого постулата будут рассмотрены позже.
Сейчас мы будем считать его имеющим силу и рассмотрим только
влияние длины волны на вид переходного участка от линейно подни-
мающейся части световых кривых, наклон которой при данной длине
волны определяется произведением коэффициента поглощения на макси-
мальный квантовый выход, к «плато» насыщения, высота которого,
как мы предполагаем, независима от длины волны.
Влияние оптической плотности на световые кривые обсуждалось
в гл. XXVIII, и результаты иллюстрировались схемами, представлен-
ными на фиг. 191. Изменение длины волны равносильно изменению
оптической плотности: клеточная суспензия, оптически тонкая в зе-
леном свете, становится оптически плотной при красном или фиоле-
товом освещении. Однако там, где дело касается скорости фотосин-
теза, переход от зеленого к красному свету не во всех отношениях
равнозначен увеличению концентрации клеток, так как уровень при
насыщении остается неизменным в первом случае и увеличивается
пропорционально числу клеток во втором случае. Результат перехода
от сильного поглощения света к слабому больше напоминает, пови-
димому, переход от зеленых к желтым листьям (см. гл. XXXII), так
как здесь максимальная скорость приблизительно одинакова для обоих
разновидностей.
600
Глава XXX
' Как было упомянуто выше, сравнение световых кривых при раз-
личных длинах волн должно проводиться путем нанесения на график
скорости фотосинтеза в зависимости от Nh.t (число падающих кван-
тов на 1 см2 в 1 сек.), а не в зависимости от энергетического
Интенсивность света, 10 7эйнштейн/смг мин
как функция интеи-
различных длинах
Фиг. 241. Фотосинтез Chlorella
сивности освещения при трех
волн [105].
В
Б
Nfiv (падающий)
Nhv (поглощенный)
Фиг. 242. Ожидаемый вид монохроматических световых кривых.
А. Фотосинтез, Р, в зависимости от для полного поглощения; (поглощенный)=ДГ^
(падающий): / — красный свет; //—зеленый свет. Б. То же для неполного поглощения, Nfo
(поглощенный) < (падающий): /—красный свет; //—зеленый свет. В. Для одинакового
поглощения, одинаковых кваь.товых выходов, но различной длины волны; кривые на графике В
совпали бы, если бы вместо I по оси абсцисс было отложено /—длинноволновая область
(например, красный свет); //—коротковолновая область (гапример, синий свет).
потока I в эргах (или калориях) на 1 см2 в 1 сек. В противном слу-
чае световые кривые для более коротких волн будут находиться ниже
кривых для более длинных волн, если даже фотохимическое действие
обоих видов квантов будет одинаковым (см. фиг. 242, В). Пример
того, насколько полно квантованные световые кривые, полученные
в монохроматическом свете различных участков спектра, совпадают
друг с другом, приведен на фиг. 241.
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 601
Хотя две самые верхние экспериментально полученные точки этой
кривой находятся уже в районе начинающегося насыщения, они все
же не показывают разницы между световыми кривыми для зеленого
и красного света. Однако расхождение этих двух кривых в области
насыщения теоретически неизбежно, как показывает фиг. 242. В слу-
чае полного поглощения для всех длин волн (т. е. в условиях, при
которых была получена фиг. 241) кривая для красного света должна
изгибаться раньше, чем для зеленого (благодаря более равномерному
поглощению зеленого света по всему слою клеток).
Та же самая картина (см. фиг. 242, А) должна получиться и для
частично поглощающих систем, если Р откладывается в зависимости
от интенсивности поглощенного, а не падающего света. Если в ка-
честве независимой переменной используется падающего света и
поглощение сравнительно невелико, то следует ожидать картину,
представленную на фиг. 242, Б.
Если при построении монохроматических световых кривых по
абсциссе откладывается световая энергия (/ или Л) вместо числа кван-
тов, Nh^ картина без необходимости затемняется (фиг. 242, В). Неко-
торые исследователи, например Монфорт, воспользовались измерениями
скорости фотосинтеза в монохроматическом свете, чтобы поставить
вопрос о том, является ли вообще фотосинтез квантовым процессом.
Само сомнение подобного рода никогда не могло бы возникнуть
у фотохимика.
Экспериментальный материал, к которому можно применить при-
веденные выше соображения, является весьма скудным. Было бы
желательно применить для кинетических исследований при сильном
монохроматическом освещении точные методы определения скорости
фотосинтеза, которые до сих пор использовались почти исключи-
тельно для определений квантового выхода на слабом свету.
В качестве примера немногих кривых, полученных опытным путем
в монохроматическом свете, можно рассматривать кривые, приведен-
ные на фиг. 243 и 245. На фиг. 243, А относительное положение
кривых для зеленого и красного света соответствует предсказанному
на фиг. 242, Б. На фиг. 243, Б кривая для белого света лежит, как
и было предсказано, ниже, чем для более сильно поглощаемого крас-
ного света, но разница между ними оказывается значительно большей,
чем можно было ожидать.
В гл. XXIX было указано, что полученное Эйхгофом отношение
между фотохимически эквивалентными интенсивностями красного и
белого света представляется удивительно малым (насыщение для крас-
ного света достигалось при интенсивности, эквивалентной менее
чем 2 000 лк белого света!). Если умножить интенсивности моно-
хроматического света на произвольный коэффициент 2,5 (это умень-
шает квантовые выходы с 0,25 до 0,10), то кривая на фиг. 243, Б
изменяется так, как это показано пунктирной линией, и приобретает
гораздо более правдоподобный вид.
602
Глава XXX
Фиг. 244 и табл. 63 показывают результаты Габриэльсена [65].
Особо следует отметить разницу квантовых выходов в зеленом и
красном свете (обсуждение подобных результатов Эмерсона и Льюиса
см. во втором разделе данной главы). Максимальные скорости фото-
синтеза в сине-фиолетовом и особенно в зеленом свете также зна-
чительно меньше, чем в красном свете; однако на фиг. 244 видно,
что наблюдаемые максимальные скорости могут быть все еще далеки
от насыщения. На фиг. 245, взятой из более поздней работы того
I (для белого света-Х)3лк; для цветного света-НК; 1НК=940зрг/см2-сек)
Фиг. 243. Световые кривые Chlorella на свету различного спектрального
состава.
Д. Концентрированная суспензия (НЛО1’ клеток в! мл): /—красный свет;/7—зеленый свет.
Б, Разбавленная суспензия (2-1(Р клеток в 1 мл): / — красный свет; //—белый свет; III—то же,
что I (все значения I умножены на 2,5).
же автора [93], можно очень ясно видеть совпадение максимальных
скоростей в трех областях спектра.
Из приведенного выше обсуждения совершенно ясно, что спектры
действия фотосинтеза, полученные при освещении растений светом
частично насыщающей интенсивности, весьма трудно поддаются интер-
претации, даже если применяется освещение с одинаковой интенсив-
ностью (или, еще лучше, с одним и тем же числом квантов) во всех
областях спектра. Например, в оптически тонкой системе выход на
один падающий квант должен быть меньше в зеленой, чем в красной
области спектра, из-за более слабого поглощения зеленого света (см.
Фиг. 244. Световые кривые Sinapis alba [65].
I—сине-фиолетовый свет; ZZ—желто-зеленый; III — оранжево-красный.
Фиг. 245. Световые кривые Sinapis alba иа свету различного спектрального
состава [93]. Кривые приближаются к одному и тому же уровню насыщения
при всех длинах волн.
Z—оранжево-красный свет; ZZ—-желТоазеленый; ZZZ—Снне-фиолетовый.
604
Глава XXX
Таблица 63
ФОТОСИНТЕЗ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА
(по Габриэльсену [65])
Свет	Средняя длина волны, лгр.	Максималь- ный кванто- вый выход	Максимальный фотосинтез, СО» мг{см^*час	Интенсивность света, р. кал^м^сек
Красно-оранжевый	650	0,100	0,192	1,67
Желто-зеленый . .	540	0,083	— 0,12	1,85
Сине-фиолетовый	430	0,071	— 0,05	0,83
ftflUHU волны, Mft
Фиг. 246. Спектр действия фотосинтеза
пшеницы, «квантованный» Бернсом [82,
83] (по Гуверу [73]).
фиг. 242, Б); в оптически плотной, полностью поглощающей системе
соотношение будет обратным вследствие лучшего использования более
равномерно поглощаемого зеленого света (см. фиг. 242, А). Работая
с системами не очень большой плотности и применяя не слишком
сильное освещение, можно получить квантованный спектр действия,
в большей или меньшей степени приближающийся к спектру поглоще-
ния пигментов. Примером может
служить спектр действия пше-
ницы, полученный Гувером [73]
и квантованный Бернсом [82,
83,	100], приведенный на
фиг. 246. Однако при этих
условиях нельзя ожидать ника-
кого количественного соответ-
ствия между спектром действия
и спектром поглощения, и по-
этому все соображения, осно-
ванные на существовании раз-
ницы между ними, например
относительно роли сопутствую-
щих пигментов, могут носить
характер только более или
менее правдоподобных догадок.
Правильная трактовка этого вопроса в приложении к зеленым расте-
ниям значительно более трудна, чем в приложении к бурым или
красным водорослям, вследствие совпадения полос поглощения каро-
тиноидов с сине-фиолетовыми полосами хлорофиллов а и Ь. Энгель-
ман [22, 23] понимал это и, допуская, что каротиноиды зеленых
растений действуют как сенсибилизаторы при фотосинтезе, обосновы-
вал это свое допущение не прямыми экспериментами с этими расте-
ниями, а аналогией с результатами, полученными для окрашенных
водорослей. В качестве дополнительного аргумента в пользу этой
точки зрения он ссылался на наблюдения над листьями желтых раз-
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 605
новидностей, которые обладают сравнительно высоким выходом фото-
синтеза, несмотря на недостаток хлорофилла. Впрочем, он не был
склонен считать этот аргумент решающим, по крайней мере, впредь
до получения новых экспериментальных данных. Позже ВиЯыптеттер
и Штоль [36] показали, что желтые листья обладают высокой отно-
сительной продуктивностью также и на свету, пропущенном через
желтый светофильтр. В этом они видели доказательство того, что
каротиноиды листа не участвуют в сенсибилизации фотосинтеза
в желтых листьях. Однако этот вывод неубедителен, так как в экспе-
риментах этих авторов введение желтого светофильтра почти не
влияло не только на относительные, но и на абсолютные выходы как
зеленых, так и желтых листьев. Другими словами, интенсивность
сине-фиолетового света была ничтожной; поэтому опыты Вилыптет-
тера и Штоля, доказывая, что желтые листья высокопродуктивны
на свету, поглощаемом одним хлорофиллом, ничего не говорят, однако,
об эффективности или неэффективности каротиноидов.
Вюрмзер [39] нашел, что скорость фотосинтеза Ulva lactuca, пере-
считанная на поглощение только хлорофилла, на сине-фиолетовом
свету ниже, чем на зеленом, но выше, чем на красном, что указывает
на возможность активного участия каротиноидов. Шмюкер [48] в опы-
тах с определением скорости фотосинтеза Cabomba и Cryptocoryne
методом подсчета пузырьков обнаружил, что интенсивность освеще-
ния, необходимая для достижения определенной скорости фотосинтеза,
увеличивается от красной к желтой и зеленой областям спектра
обратно пропорционально длине волны, что указывает на постоянство
квантового выхода. Однако в синей и фиолетовой областях спектра
это увеличение было на 15°/0 больше, чем требовалось для квантовой
поправки, если допустить, что все пигменты являются активными,
и несколько меньше, чем можно было ожидать, если считать кароти-
ноиды полностью неактивными.
После того как результаты опытов с бурыми водорослями выдви->
нули на передний план проблему роли каротиноидов в фотосинтезе
(см. следующий раздел), Монфорт [92] сделал новую попытку опре-
делить, способствует ли поглощение света каротиноидами фотосин-
тезу зеленых растений. Он сравнил скорости фотосинтеза зеленой
водоросли Ulva lactuca при красном и оранжевом свете (X > 550 лгу.) со
скоростью этого процесса при сине-зеленом освещении (Х=350—625 мр,
максимум при 450—550 л/ti) одинаковой интенсивности. В табл. 64
приводятся результаты его опытов.
Сравнение последних трех цифр таблицы показывает, что кванто-
вый выход при сине-зеленом свете только слегка ниже, чем при крас-
ном, если относить его к поглощению всех пигментов, и значительно
более высок, если относить его к хлорофиллу. Это говорит в пользу
гипотезы, приписывающей хлорофиллу и каротиноидам почти одина-
ковую эффективность. Таким образом, более ранние наблюдения Вюрм-
зера, Шмюкера и Монфорта подтверждают выводы Эмерсона и Льюиса,
606
Глава XXX
Таблица 64
ФОТОСИНТЕЗ ULVA LACTUCA В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА')
(по Монфорту [92])
Р (сине-зёленый)//5 (оранжево-красный)..........................0,89
А (сине-зеленый)/Л (оранжево-красный) * 2)......................1,19
А (сине-зеленый)//! (оранжево-красный) 3).......................1,004 5)
(PjA) (сине-зеленый)/(Р/Л) (оранжево-красный) 2)................0,75
(P/А) (сине-зеленый)/(Р/Л) (оранжево-красный) 3)................ 0,894)
Квантовая поправка: X (оранжево-красный)/), (сине-зеленый) .... 0,77 6)
J) Р—скорость фотосинтеза; А—интенсивность поглощения.
2) Все пигменты.
8) Один хлорофилл.
*) Вычислено по данным для экстрактов.
5) Для длин волн 625 и 480 мр.
сделанные на основании гораздо более убедительных измерений при
слабом и действительно монохроматическом освещении, о том, что
каротиноиды зеленых растений активно участвуют, хотя и с меньшей
эффективностью, чем хлорофилл, в сенсибилизации фотосинтеза.
Уменьшение квантового выхода Chlorella на синем и фиолетовом
свету вряд ли вызывается присутствием какого-нибудь желтого пи-
гмента, отличного от каротиноидов (сравнение спектров поглощения
живых клеток и экстрагированных пигментов на фиг. 92 не дает
указаний на присутствие такого пигмента). С другой стороны, у не-
которых высших растений в клеточном соке или клеточных стенках
часто присутствуют пигменты типа флавонов или антоцианинов, кото-
рые конкурируют с фотосинтетически активными пигментами в погло-
щении сине-фиолетовых квантов или даже служат в качестве «цветных
экранов», особенно если они располагаются в эпидермисе или в кле-
точных стенках между хлоропластами и внешним источником света.
Присутствие этих пигментов не должно влиять на выход фотосинтеза
при световом насыщении, но будет понижать квантовый выход в ли-
нейном участке и в области частичного насыщения. Бернс [54, 55, 100]
сообщил, что квантовый выход фотосинтеза сеянцев сосны и ели
в сине-фиолетовом свете (390—470 ми.) был в 2 раза меньше, чем
в красном (630—720 лги.) или в красном плюс оранжевый (560—720 лщ).
Это явление можно отнести за счет присутствия в этих хвойных
деревьях какого-то неактивного желтого пигмента (в предыдущем
разделе упоминалось, что фотосинтез в этих растениях снижается до
нуля при Л < 450 или 465 лщ).
То же самое явление, и даже в более резко выраженной форме,
может иметь место у листьев пурпурных разновидностей или у дру-
гих листьев, содержащих большие количества красных антоцианиновых
пигментов. Энгельман уже в 1887 г. в исследовании под названием
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 607
«Оттенки листьев и их значение для разложения углекислоты на свету»
констатировал, что красные пигменты наземных растений не принимают
активного участия в фотосинтезе. Вильштеттер и Штоль [36] и Куиль-
ман [47] подтвердили, что присутствие этих пигментов не оказывает
влияния на скорость фотосинтеза на сильном свету. На основании
обзора прежних работ и результатов новых экспериментов с листьями
Corylus и Prunus в красно-оранжевом, желто-зеленом и сине-фиолето-
вом свете Габриэльсен [93] пришел к выводу, что при данном коли-
честве падающей энергии красные разновидности имеют минимальный
выход при желто-зеленом освещении, т. е. в той области спектра,
где красные пигменты имеют максимум поглощения. Этот минимум был
наиболее сильно выражен на слабом свету; на сильном свету моно-
хроматические световые кривые приближались к одному и тому же
уровню насыщения, что согласуется с данными Вилыптеттера и Штоля.
По оценке Габриэльсена, в красных листьях Corylus «экран» погло-
щал около 37°/0 падающего света в сине-фиолетовой, около 74°/0
в желто-зеленой и около 33°/0 в оранжево-красной области спектра.
В Prunus поглощение было несколько выше, возможно, потому, что
в Corylus красный пигмент присутствует только в клетках эпидер-
миса, тогда как в Prunus он был найден также в мезофилле.
Принимая во внимание эти результаты, вряд ли следует доверять
различным наблюдениям или рассуждениям о возможности участия
антоцианинов или флавонов в процессе фотосинтеза.
Ноак [41] в 1922 г. наблюдал фотохимическое превращение фла-
вонов в антоцианины in vivo и интерпретировал эту реакцию как
окисление — восстановление, сенсибилизированное хлорофиллом (см.
гл. XIX, т. I). Он предположил, что флавоны и антоцианины обра-
зуют окислительно-восстановительную систему, которая может играть
каталитическую роль в фотосинтезе. Сен [102] утверждал, что листья,
содержащие антоцианин, имеют более высокую фотосинтетическую
активность, чем обычные листья, несмотря на более низкое содер-
жание хлорофилла.
Вернемся теперь к поднятому в предыдущем разделе вопросу
о третьем участке световых кривых, идущем вслед за линейным
участком и областью перехода, т. е. к вопросу о «плато» насыщения.
Там было постулировано, что это «плато» должно находиться на
одинаковой высоте при всех длинах волн. Пока скорость опреде-
ляется только кинетическим механизмом фотосинтеза, теоретические
аргументы в пользу этого постулата кажутся решающими. Обуслов-
ливается ли насыщение ограниченным запасом реагентов или лимити-
рованным содержанием энзима, в обоих случаях максимальная скорость
фотосинтеза определяется быстротой темновой реакции и должна
быть независимой не только от количества, но также и от качества
освещения.
Качество света может, однако, влиять на максимальную скорость
фотосинтеза, если кроме последнего имеют место и другие фотохими-
608
Г ла a a XXX
ческие процессы. Избирательная сенсибилизация окислительных про-
цессов в фотосинтетическом аппарате, производимая светом, поглощен-
ным каротиноидами или хлорофиллом в сине-фиолетовой полосе,
представляет одну из возможностей такого типа. Однако в этом слу-
чае подвергаться влиянию должны только те световые кривые, кото-
рые принадлежат к типу с оптимумом, зависящим от времени (этот
тип наблюдался, например, у некоторых умбриофильных растений,
см. стр. 420), так как максимальная скорость у этих кривых опре-
деляется зависимым от времени балансом фотосинтеза и фотоокисле-
ния. В световых кривых с истинным «плато» насыщения не должно
проявляться более раннее начало светового ингибирования (если не
считать уменьшения протяженности «плато» насыщения).
Влияние длины волны на фотоокисление никогда систематически не
исследовалось. Франк и Френч [99] обнаружили, что фотоокисление
в листьях, лишенных двуокиси углерода, происходит и на красном,
и на синем свету, но это было только качественное наблюдение.
Избирательное действие синего света на дыхание Chlorella наблюда-
лось Эмерсоном и Льюисом [105] (см. гл. XX, т. I). Установлена
также еще одна специфическая функция желтых пигментов — сенсиби-
лизация фототропических движений. В гл. XXII уже указывалось,
что изменения положения хлоропластов вызываются только светом,
поглощенным желтыми пигментами (Фёркель [561). Немного позднее
Кастл [64] обнаружил, что та же зависимость проявляется и при
фототаксисе целых клеток. Этими пигментами, повидимому, являются
каротиноиды, хотя Голстон приписывал подобную функцию рибофла-
вину (основывая свое утверждение на том, что спектр действия имеет
только один пик). С другой стороны, у пурпурных бактерий спектр
действия фототаксиса совпадает со спектром действия фотосинтеза
(см. ниже).
Обширные исследования над действием света различного спек-
трального состава на фотосинтез и дыхание зеленых, сине-зеленых
и красных водорослей были проведены Даниловым [68, 69]. Он при-
шел к недостоверному выводу, что выход фотосинтеза зависит не
только от цвета (для монохроматического света), но также от комби-
нации цветов (для немонохроматического света). Он обсуждал эти
явления, применяя такие неопределенные понятия, как стимулирование
и ингибирование различных протоплазматических функций светом раз-
личной длины волны. Так, например, желтым и зеленым лучам он
приписывал действие, повышающее чувствительность клетки к крас-
ному свету и делающее ее чувствительной к инфракрасному излуче-
нию; сине-фиолетовый свет, по его мнению, способствует использова-
нию инфракрасного излучения (повидимому, для активирования темновых
стадий фотосинтеза); сине-зеленые лучи противодействуют стимули-
рующему влиянию желтого света, усиливают стимулирующее действие
синих лучей и вообще создают в клетках «регулятор использования
световой энергии», а также определяют реакцию фотосинтеза на
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 609
изменения температуры*. В другой статье Данилов [88] утверждал,
что влияние спектрального состава света на фотосинтез зависит от
метода выращивания водорослей. В частности, вариации в чувстви-
тельности к свету различного спектрального состава вызывались изме-
нениями в гидратации клеток, для чего клетки Scenedesmus выращи-
вались в 1-процентном растворе NaCl.
Уршпрунг [33, 35], работая с отделенными от растений листьями,
посредством тимирязевского метода «крахмальных спектров» [25, 29]
(спектр отбрасывается на голодавший, обескрахмаленный лист и
«скрытое крахмальное изображение», образованное светом, «прояв-
ляется» иодом) нашел, что на свету с равномерной спектральной
интенсивностью продукция крахмала непрерывно уменьшалась по на-
правлению от красного к фиолетовому участку спектра, без образо-
вания второго максимума. Он приписал этот результат закрытию
устьиц и последующему понижению фотосинтеза в сине-фиолетовом
свете.
Дастур и Самант [52], Дастур и Мета [67] и Дастур и Соломон
[77] описали наблюдения, которые якобы показали, что чистый крас-
ный свет (или чистый синий цвет) менее эффективен при фотосин-
тезе, чем комбинация красного и синего света. Эксперименты этих
авторов были раскритикованы Монфортом [79], который нашел, что
добавление сине-фиолетового к красному свету не влияло на скорость
фотосинтеза, если интенсивность красного света была насыщающей.
Это согласуется с опытами Дэттона и Мэннинга с диатомовыми водо-
рослями (см. ниже).
Дастур, Каниткар и Рао [87] проследили за образованием белков
на свету различного спектрального состава и нашли различия, кото-
рые они отнесли за счет упомянутого выше действия этого фактора
на фотосинтез.
Возможно, что результаты Дастура и его сотрудников вызываются
самой тривиальной причиной — применением оптически плотных тка-
ней. Как было показано выше, такие ткани должны использовать и
используют зеленый или желтый свет умеренной интенсивности лучше,
чем оранжево-красный (или сине-фиолетовый) свет такой же интен-
сивности, потому что последний поглощается в слишком тонком по-
верхностном слое и вызывает там эффект насыщения. Белый свет,
----------- t
* Не отрицая недоказанность и спорность некоторых частных положений
Данилова, мы должны, однако, признать, что сама идея о том, что действие
различных лучей на фотосинтез может изменяться в зависимости от фона
и сопровождения их лучами другого качества, имеет под собой достаточно
веские основания. Это легко понять, если оценить в качестве возможного
фона или «добавки» такие лучи, как инфракрасные — сильно нагревающие
листья, или ультрафиолетовые — активные в подавлении фотосинтеза. Менее
легко, но все же можно представить наличие подобного эффекта и для дру-
гих лучей, имея в виду хотя бы такие факты, как различное влияние резкого
освещения на общие процессы физиологии, а следовательно, и на фотосин-
тез, хотя бы в качественном отношении. — Прим. ред.
39 Зак. 4040. Е. Рабинович
610
Глава XXX
частично насыщающей интенсивности, вследствие того, что он содер-
жит зеленую и желтую составные части, будет давать в таких тка-
нях более высокий выход фотосинтеза, чем оранжево-красный или
сине-фиолетовый свет той же интенсивности.
В гл. XXVIII мы уже упоминали, что световые кривые растений,
адаптированных к слабому и сильному освещению, имеют различный
вид. Так как эти растения отличаются по составу своей пигментной
системы, то вполне вероятно, что они будут отличаться и по реакции
на свет различного спектрального состава. Любименко [43] наблюдал,
что тенелюбивые растения часто обладают относительно большей про-
изводительностью на сине-фиолетовом свету и относительно легче
ингибируются красным светом. Это может быть связано с более
высоким содержанием хлорофилла Ь, который обусловливает лучшее
использование синего света с длиной волны 450—500 яр или с боль-
шим содержанием каротиноидов. Последнее предположение подсказано
цифрами Вильштеттера и Штоля (т. I, табл. 62); однако анализы
Зейбольда и Эгле (см. т. I, стр. 417), как правило, его не подтвер-
ждают.
Состав пигментной системы также зависит от спектрального состава
света, при котором данные растений были выращены. В гл. XV
(т. I, стр. 433) указывалось, что хлорофилл более интенсивно син-
тезируется зелеными растениями при красном, а каротиноиды — при
сине-фиолетовом освещении (впрочем, это утверждение было подверг-
нуто сомнению, и возможно, что оно является упрощением). Быть
может, поэтому растения часто оказываются наиболее продуктивными
при том освещении, при котором они были выращены. Так, напри-
мер, Elodea, выращенная на красном свету, выделяла больше кисло-
рода при красном освещении, тогда как та же Elodea, выращенная
на синем свету, давала больше кислорода при синем освещении [70,
85, 86]. Таким образом, физиологическая хроматическая адаптация
фотосинтеза может быть в этом случае следствием химической адап-
тации пигментной системы.
Квантовый выход и спектр действия фотосинтеза
у бурых водорослей
Изучение связи между длиной волны света и фотосинтезом у бурых
и диатомовых водорослей представляет особый интерес вследствие
присутствия в этих водорослях каротиноида фукоксантола, который
не встречается в зеленых растениях. Роль индивидуальных пигментов
в поглощении света бурыми и диатомовыми водорослями обсуждалась
в гл. XXII, где она иллюстрировалась (зесьма схематично) заимство-
ванными у Монфорта [92] фиг. 93 и 94 и табл. 20. Кроме того, дли
диатомовых водорослей мы приводили гораздо более точную фиг. 95,
взятую из работы Дэттона и Мэннинга [98]. Однако даже эта фигура
является не слишком надежной по двум причинам: во-первых, не
Слетовой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 611
очень точными и, без сомнения, до известной степени неверными
являются предположения, сделанные относительно «сдвига в красную
сторону» полосы поглощения in vivo, и, во-вторых, не учитывается
влияние хлорофилла с. Как показано на фиг. 248, хлорофилл с играет
значительную роль при поглощении света (в области спектра между
450 и 500 лгр) пигментами, экстрагированными из бурых и диатомо-
вых водорослей. Бурый цвет этих организмов in vivo указывает на значи-
тельное поглощение также в более длинноволновой зеленой области спек-
тра, в пределах от 500 до 550 мц. Частично это поглощение может
обусловливаться хлорофиллом с, но в основном оно, очевидно, связано
с фукоксантолом, которому обычно и приписывается (см. гл. XXII).
Монфорт [92] проанализировал полученные на опыте спектры дей-
ствия фотосинтеза различных бурых водорослей и пришел к заклю-
чению, что свет, поглощенный фукоксантолом, полностью исполь-
зуется для фотосинтеза; однако этот вывод не является достаточно
убедительным вследствие крайне примитивного экспериментального
подхода, допускающего использование широких спектральных уча-
стков и применение освещения сравнительно высокой интенсивности.
Дэттон и Мэннинг [98] пришли к тому же выводу, использовав
гораздо более удовлетворительную, по крайней мере, с точки зрения
принципа, процедуру исследования — определение квантовых выходов
при слабом и действительно монохроматическом освещении. Так как
метод Дэттона и Мэннинга гораздо более соответствует своему на-
значению, чем метод Монфорта (см. критику Эмерсона [81]), то нач-
нем с обсуждения их экспериментальных данных.
Для определения кислорода Дэттон и Мэннинг употребляли капель-
ный ртутный электрод (см. гл. XXV). При этом было обнаружено,
что диатомовая водоросль Nitzschia closterium более чувствительна
к ртути, чем Chlorella, однако ее сопротивляемости вполне доста-
точно, чтобы можно было вести опыт в течение 30 мин. без появле-
ния признаков отравления.
Хроматографический анализ пигментов из Nitzschia closterium по-
казал присутствие хлорофилла а, каротина, лутеола, фукоксантола и,
возможно, флавоксантола, но не обнаружил даже следов хлорофилла Ь.
Хлорофилл с, который впоследствии был найден Стрейном и Мэннин-
гом (т. I, стр. 408) в диатомовых бурых водорослях, вообще не был
упомянут. Анализ спектра поглощения экстракта (см. фиг. 95) пока-
зал, что в метаноловом растворе, по крайней мере, половина погло-
щения между 400 и 555 ма обусловлена каротиноидами. Это соот-
ношение является значительно более высоким, чем то, которое
наблюдается у зеленых растений (см. выше). Оно указывает, что
отношение хлорофилл «/ каротиноиды в исследованных диатомовых
водорослях было значительно ниже чем 3:1, т. е. чем среднее от-
ношение для бурых водорослей (см. т. I, табл. 62).
Для освещения использовался монохроматический свет ртутной
лампы переменного тока высокого давления (при этом предполагалось,
39*
612
Тлаба XXX
что влиянием пульсации можно пренебречь), а также полосы излучения
лампы накаливания, изолированные при помощи соответствующих филь-
тров. Концентрация суспензий подбиралась таким образом, чтобы по-
глощение в красном участке спектра составляло около 5О°/о, а в синем—
около 75%. Две порции одной и той же суспензии помещались
в два сосуда. В обоих сосудах одновременно определялся квантовый
выход при освещении одного сосуда фиолетовым, синим или зеленым,
а другого — красным светом. Результаты, приведенные в табл. 65,
свидетельствуют о том, что отдельные значения у для каждой длины
волны колеблются в широких пределах (например, для красного света
от 0,038 до 0,100), возможно, вследствие различной степени ртутного
отравления или из-за других факторов, влияющих на жизнедеятель-
ность клеток. Поэтому все заключения основаны целиком на отно-
шении выходов, полученных на свету различного состава при одно-
временных опытах с двумя порциями одной и той же суспензии.
Таблица 65
КВАНТОВЫЕ ВЫХОДЫ ФОТОСИНТЕЗА У ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ
(по Дэттону и Мэннингу [98])
		Поглоще- ние каро- тиноидами, °/о от об- щего по- глощения1)	1		l/Ткрасн.	
			пределы колебаний	сред- нее	пределы колебаний	среднее
404,7 -ф 407,8 (фиолето- вый) 	 665,0 (ось красной по- лосы) 			38 0	0,048—0,075 0,048—0,060	0,075 0,052	| 0,90—1,43	1,80 ± 0,08
435,8 (синий) . . . 665,0 (ось красной лосы)		ПО-	49 0	0,048-0,079 0,045—0,092	0,064 0,063	10,77—1,20	1,04 ±0,05
496,0 (сине-зеленый^ 665,0 (ось красной лосы) 		по-	93 0	0,039—0,081 0,054—0,100	0,059 0,080	10,70—0,80	0,75 ± 0,03
546,1 (зеленый) . . 665,0 (ось красной лосы)		по-	48’ 0	0,044—0,080 0,038—0,080	0,065 0,060	| 0,96—1,27	1,10 ±0,04
О Вычислено путем сдвига всех кривых фиг. 95 к красной области на 20 (критику
этого метода см. в гл. XXII). Поглощение хлорофилла с не учитывается.
Табл. 65 показывает, что даже это отношение сильно колеблется
(например, от 0,90 до 1,43 при сравнении выходов в фиолетовом и
красном свете). Наиболее постоянными были результаты серии изме-
рений при 496 мр, где все семь определений дали для отношения
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 613
(квантовый выход в сине-зеленом свете)/(квантовый выход в красном
свете) значение между 0,70 и 0,80. Взяв среднее из отношений, Дэт-
тон й Мэннинг получили значения, приведенные в последней графе
табл. 65, и пришли к выводу, что квантовые выходы при фиолето-
вом, синем и зеленом освещении практически одинаковы с теми, кото-
рые получаются на красном свету, несмотря на то, что 40—5О°/о
фиолетового и синего света должно поглощаться каротиноидами,
тогда как поглощение красного света целиком обусловлено хлоро-
филлом. Поэтому Дэттон и Мэннинг предположили, что все кароти-
ноиды, присутствующие в диатомовых водорослях, должны действо-
вать как сенсибилизаторы фотосинтеза. Значение 7 для сине-зеленого
освещения при 496 мр оказалось значительно более низким. Авторы
допускают, что это может указывать на меньшую эффективность
каротина и лютеола по сравнению с фук ок санто лом. По их вычисле-
ниям, доля фукоксантола в общем поглощении каротиноидов является
меньшей при 496 мр, чем при более коротких длинах волн.
Этот вывод основан на исследовании экстрактов, в которых фуко-
ксантол имеет спектр поглощения, резко обрывающийся при 500 мр
(см. фиг. 41), с максимумом, практически совпадающим с максимумом
для лутеола. Однако это, несомненно, неприменимо к фукоксантолу
in vivo (см. стр. 114); кроме того, недавние наблюдения над экстрак-
тами также позволяют сделать заключение, что поглощение фуко-
ксантола распространяется до 550 жи. (см. фиг. 43).
Бурый цвет водорослей указывает на значительное расширение
сине-фиолетовой области поглощения в сторону длинных волн, и вполне
возможно, хотя и недоказуемо, что пигментом, обусловливающим это
расширение, является фукоксантол. Возможной альтернативой будет
участие в этом поглощении хлорофилла с, хотя в экстрактах его
полоса поглощения лежит на коротковолновой стороне поглощения
хлорофилла а.
Дэттон и Мэннинг выдвигают также другое предположение, пола-
гая, что минимум кривой выхода при 496 мр может быть обусловлен
неизвестным пигментом, с поглощением, ограниченным узкой областью
близ 500 мр. Этот результат может также иметь отношение к на-
блюдениям Эмерсона и Льюиса над селективной стимуляцией дыхания
Chlorella светом с длиной волны около 480 мр.
Дэттон и Мэннинг отметили, что на участие каротиноидов в фото-
синтезе Nitzschia closterium указывает не только отношение кван-
товых выходов в синей, фиолетовой, зеленой и красной областях
спектра, но также, даже еще более убедительно, и абсолютное зна-
чение выхода при 496 мр, где, по их вычислениям, 93°/0 поглощения
относится за счет каротиноидов. Они рассчитали, что если бы весь
фотосинтез, наблюдаемый в этой спектральной области, обусло-
вливался хлорофиллом, то квантовый выход должен был быть
(0,059/(1—0,93) = 0,84) гораздо больше, чем это допустимо по термо-
химическим соображениям. Однако этот расчет был основан на дан-
614
Глава XXX
ных по распределению поглощения между пигментами (см. фиг. 95)
и поэтому может быть в значительной степени ошибочным. Действи-
тельно, при 496 яр распределение энергии мало зависит от того,
какое значение постулируется для сдвига максимумов поглощения
в красную сторону: это распределение почти не изменилось бы, если
бы постулируемый сдвиг составлял 10 или 30 яц вместо принятых
Дэттоном и Мэннингом 20 яр. или если бы считалось, что сдвиг
полос поглощения для каротиноидов, в особенности для фукоксан-
тола, в 2—3 раза больше сдвига полос для хлорофилла (на что ука-
зывают некоторые данные, приведенные в гл. XXII; см. табл. 18 и
стр. 114). Таким образом, повидимому, если отказаться от пред-
положения о сенсибилизирующем действии каротиноидов, то для
объяснения квантового выхода, наблюдаемого при 496 яр, необхо-
димо будет выдвинуть крайнее и мало вероятное предположение об
усилении поглощения сине-зеленого света хлорофиллом in vivo или
предположение о пространственном распределении пигментов, весьма
благоприятном для поглощения именно хлорофиллом. Этот аргумент,
однако, перестал быть решающим после того, как Стрейн и Мэн-
нинг [103] подтвердили факт присутствия в цветных и диатомовых
водорослях пигмента, обладающего сильным поглощением в сине-
зеленой области спектра — хлорофилла с. Как видно из фиг. 6, этот
компонент в метаноле имеет максимум поглощения при 450 яр.
В живых клетках, если сдвиг для него таков же, как и для хлоро-.
филла а, максимум поглощения должен лежать близ 470 яр. На
фиг. 249 показано, что в метанольном экстракте из диатомовых водоро-
слей хлорофилл с обусловливает- почти в 10 раз большее поглощение
при 470 яр, чем хлорофилл а. Поэтому в вычислениях Дэттона и
Мэннинга, не учитывающих роли хлорофилла с, отношение поглоще-
ний хлорофиллами и каротиноидами могло оказаться сдвинутым от
возможного 1 : 1 к крайнему значению 9,3: 0,7.
Подводя итог, можно сказать, что средние значения 7, найденные
Дэттоном и Мэннингом, поддерживают предположение о том, что
каротиноиды в диатомовых водорослях, и в особенности фукоксан-
тол, непосредственно участвуют в сенсибилизации фотосинтеза; однако
большой разброс отдельных значений свидетельствует о необходимо-
сти повторного исследования этого вопроса с использованием мате-
риалов и методов, дающих более согласующиеся результаты. Кроме
того, необходимо снова переоценить все имеющиеся результаты, и
в особенности абсолютные выходы при 496 яр, учитывая наличие и
возможную роль хлорофилла с. Возможно, что эта переоценка по-
ставит бурые водоросли в один ряд с зелеными водорослями — орга-
низмами, у которых в области поглощения каротиноидов наблюдался
заметно более низкий квантовый выход фотосинтеза, но все же не
настолько низкий, чтобы считать каротиноиды полностью неактив-
ными. В пользу такой гипотезы свидетельствует вид спектра дей-
ствия бурой водоросли Coilodesme, определенного полярографически
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 615
Гаксо и Блинксом [113] и приведенного вместе со спектром погло-
щения на фиг. 253, Б.
Дэттон и Мэннинг провели также исследования в более сильном
свете, измеряя сначала фотосинтез при насыщающем красном свете,
а затем добавляя фиолетовый свет. Как и следовало ожидать, они
не обнаружили заметного влияния на выход такого добавочного осве-
щения и сочли это доказательством того, что фотосинтез в синей
области спектра хотя и сенсибилизируется и хлорофиллом и кароти-
ноидами, но лимитируется той же самой темновой реакцией, что и
фотосинтез на красном свету, сенсибилизируемый только хлорофиллом.
Вассинк и Кертсен [107] изучали диатомовую водоросль Nitzschia
dissipata. Результаты их спектроскопических исследований были
приведены в гл. XXII (см. стр. 114). Эти исследователи измеряли
скорость фотосинтеза на свету различного спектрального состава,
выделяя этот свет при помощи комбинации светофильтров. Они ограни-
чили область исследования обычной средней интенсивностью освещения
(7,3-103 эрг/см2 • сек}, считая, что работают в линейном участке
световой кривой. Они основывали это допущение на представлении
о существовании типа световых кривых, имеющих очень длинный
линейный участок. Такие кривые были получены группой голланд-
ских исследователей для зеленых растений, диатомовых водорослей
и пурпурных бактерий (см. фиг. 185 и табл. 42). Однако другие
исследователи не подтвердили существования кривых такого вида.
Вассинк и Керстен вычислили, что выход на поглощенный квант
является одинаковым для Nitzschia и Chlorella', он постоянен на крас-
ном, желтом и желто-зеленом свету и несколько уменьшается в сине-
зеленой области спектра для обоих организмов. Они пришли к заклю-
чению, что в отличие от остальных каротиноидов фукоксантол обладает
в качестве сенсибилизатора полной, неуменьшенной эффектив-
ностью. Подобно Дэттону, Мэннингу и Дэггару (см. гл. XXIV), они
обнаружили, что флоуресценция хлорофилла в живых диатомовых
водорослях может быть возбуждена также светом, поглощенным
фукоксантолом; из этого они сделали вывод, что энергия, поглощен-
ная фукоксантолом, передается хлорофиллу до того, как она будет
использована для фотосинтеза.
Новые исследования квантового выхода бурых водорослей на
свету различного состава были предприняты Танадой [115] в лабо-
ратории Эмерсона. Выводы Дэттона и Мэннинга были подтверждены
в результате гораздо более точных измерений и с учетом присут-
ствия хлорофилла с.
Танада работал с чистой культурой диатомовой водоросли Navi-
cala minima. Квантовый выход был им измерен для узких спектраль-
ых полос в интервале от 400 до 700 лр. На фиг. 247 приве-
дены результаты его исследований. Квантовый выход является по-
стоянным между 520 и 680 мр; так же как и для Chlorella, он
резко падает почти до нуля выше 710 мр. Между 520 и 475 мр
616
Глава XXX
выход снижается приблизительно на 20%. Вспомним, что минимум
активности был найден в этой области спектра также для Chlorella
и Chroococcus. При продвижении в фиолетовую область спектра
выход несколько повышается, но затем понижается при приближении
к ультрафиолетовой области. У 400 м\х он на 30% ниже макси-
мального.
Кривую фиг. 247, Y =/(>-), следует сопоставить с кривыми
фиг. 248, показывающими поглощение ряда пигментов, содержащихся
в экстракте из этих диатомовых водорослей, и с кривыми фиг. 250,
Фиг. 247. Квантовый выход фотосинтеза
Navicula minima как функция длины волны [115].
Точки, полученные в разных опытах, обозначены
различными символами.
показывающими участие каждого пигмента в общем клеточном по-
глощении. На первой фигуре видно, что главными компонентами
являются хлорофилл а, хлорофилл с и фукоксантол. Кроме этих
пигментов, были обнаружены неофукоксантол (см. гл. XXXVII),
Р-каротин и какой-то неидентифицированный каротинол, возможно,
диадиноксантол. Их поглощение дано суммарно под названием
«остальные каротиноиды».
Делая выводы о роли отдельных пигментов в поглощении света
in vivo на основании их спектров поглощения in vitro, необходимо
вводить ряд поправок: на рассеяние, на сдвиг полос поглощения и
их расширение. О неудовлетворительном подходе к этой проблеме
уже говорилось в гл. XXII. Танада внес одно усовершенствование
в процедуру исследования: он нашел, что большую часть хлоро-
филла с и некоторое количество фукоксантола можно экстрагировать
65-процентным метанолом, оставляя практически весь хлорофилл а
Фиг. 248. Спектры поглощения
метанольных растворов пигментов,
количественно экстрагированных
из клеток Navicula minima [115].
/—весь экстракт; //—хлорофилл д; III—
хлорофилл с\ /V—фукоксантол; V—другие
каротиноиды.
Фиг. 249. Сравнение спектров поглоще-
ния экстрагированных пигментов и не-
поврежденных клеток Navicula minima,
взвешенных в глицерине. Весь спектр
каждого пигмента сдвинут в красную
сторону на ту же величину, на кото-
рую сдвигается синий максимум после
экстрагирования.
I—суспензия клеток; //—фукоксантол; III—хло-
рофилл а; IV—хлорофилл с\ V—другие каро-
тиноиды; VI — все пигменты.
Фиг. 250. Кривые, показываю-
щие роль различных групп
пигментов в поглощении света
у живых клеток Navicula mini-
ma в зависимости от длины
волны.
/—хлорофиллы а и с; II—фукоксантол;
III—другие каротиноиды.
Длина волны, м/l
618
Глава XXX
в клетках; спектр поглощения остатка может быть использован для
определения положения сине-фиолетового пика поглощения хлоро-
филла а и «остальных каротиноидов» в клетке. Сдвиг в красную
сторону сине-фиолетовой полосы хлорофилла а, определенный таким
путем, равнялся 8 мц; сдвиг полосы «остальных каротиноидов» —
20 мц. Однако последняя величина была определена по изменению
положения наибольшего перегиба кривой поглощения и поэтому не
может считаться точной. Положение максимума поглощения фуко-
ксантола in vivo было вычислено по разнице между кривыми погло-
щения клеток до и после экстракции водным метанолом. Оно указы-
вает на сдвиг в красную сторону на 40 жц: от 445 жц в метанольном
растворе, до 485 жр. in vivo. Положение синего пика хлоро-
филла с было рассчитано подобным же образом по разнице между
спектрами клеток до и после экстракции 50-процентным метанолом;
соответствующий сдвиг в красную сторону оказался равным 20 жр.
Сдвиги к красному концу, полученные Танадой для четырех сине-
фиолетовых полос поглощения — 8 жу. для хлорофилла а и 40 жр
для фукоксантола, — можно сравнить с данными более ранних иссле-
дований (см. гл. XXII, стр. 112—114). Данные для хлорофилла а
хорошо согласуются между собой. Для фукоксантола сдвиг, найден-
ный Танадой — 40 жр., — почти в 2 раза превышает полученный ранее
Вассинком и Керстеном.
Если сине-фиолетовые полосы поглощения экстрактов всех пи-
гментов, содержащихся в диатомовых водорослях, сдвинуть на выше-
приведенные величины и графически суммировать, то можно полу-
чить составную кривую поглощения, представленную на фиг. 249.
Танада не сделал попытки проанализировать область к > 620 лф., где
все поглощение обусловливается хлорофиллами. Количественное со-
впадение результатов вычислений с экспериментом не является очень
хорошим; вычисленная кривая имеет более высокий пик и более
низкую впадину в зеленой области спектра, чем фактическая кривая
поглощения клеток. Это может быть обусловлено, по крайней мере
частично, рассеянием, хотя кривая поглощения для клеток была по-
лучена при помощи спектрофотометра Харди, снабженного интегри-
рующей сферой, а исследуемые клетки для уменьшения рассеяния
были взвешены в глицерине. Другим вероятным источником расхож-
дения является расширение полос поглощения in vivo (в особенности
для фукоксантола).
С этой недостаточной точностью, о которой свидетельствует рас-
хождение между двумя указанными кривыми, необходимо считаться
при оценке вычисленных данных (см. фиг. 250) об участии некото-
рых пигментов в общем клеточном поглощении при различных дли-
нах волн. На фиг. 250 видно, что в области 500—550 жр большин-
ство поглощенных квантов воспринимается фукоксантолом; однако,
как видно из фиг. 247, никакого падения выхода при этих длинах
волн не наблюдается вплоть до 520 жр, где начинает сказываться
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 619
поглощение «остальных каротиноидов». Самым простым объяснением
этих результатов будет допущение, что три пигмента — хлорофиллы а
и с и фукоксантол — полностью активны при фотосинтезе (то~О,11),
тогда как остальные каротиноиды или совсем неактивны, или рабо-
тают с гораздо меньшей эффективностью.
Танада нашел также, что f0 для Navicula minima был одина-
ковым при 1,5, 10 и 20° и что т плавно изменялся при изменении
интенсивности света между 0,9 и 6,9 • 10-8 эйнштейн на 1 см*
в 1 мин.; кривизна становится заметной при интенсивности больше
2 • 10-8 эйнштейн на 1 см2 в 1 мин. Точки, полученные для крас-
ного, оранжевого, синего и зеленого света, помещаются на одной и
той же слегка изогнутой линии, подобно тому как это имеет место
для Chlorella, по данным Эмерсона и Льюиса (см. фиг. 241).
Если фукоксантол и остальные каротиноиды являются в той или
другой степени активными как сенсибилизаторы фотосинтеза в зеле-
ных растениях и бурых водорослях, то механизм их участия, вероятно,
основан на передаче энергии к хлорофиллу, а не на прямом взаимо-
действии с окислительно-восстановительной системой. Эта гипотеза
была выдвинута Энгельманом еще 50 лет тому назад. Первое экспе-
риментальное подтверждение ее было получено в опытах Дэттона,
Мэннинга и Дэггара, возбуждавших флуоресценцию хлорофилла све-
том, поглощаемым каротиноидами (см. гл. XXIV). Эти опыты были
проведены с тем же самым организмом {Nitzschia closterium), кото-
рый был использован для определения квантового выхода фотосин-
теза. Количественные результаты этого исследования также требуют
дополнительной проверки в свете возможного влияния хлорофилла с.
Теперь мы вкратце опишем эксперименты с освещением неопре-
деленной (возможно, частично насыщающей) интенсивности, которые
могут быть приведены в поддержку гипотезы об активном участии
каротиноидов бурых водорослей в процессах фотосинтеза. Так как
в бурых водорослях отсутствует хлорофилл b и вследствие этого
значение каротиноидов для поглощения света в области между 450
и 500 мр сильно повышается, то условия для правильного решения
вопроса об участии каротиноидов в процессе фотосинтеза в этих
организмах, повидимому, более благоприятны, чем в зеленых расте-
ниях. Здесь, однако, также необходимо учитывать возможную роль
хлорофилла с в поглощении в данной области спектра.
Энгельман уже в 1884 г. обнаружил, что бурые водоросли (Ме/о-
sira, Navicula, Pinnularia), освещенные солнечным или газовым све-
том, выделяют наибольшее количество кислорода в зеленой области
спектра, и сделал из этого вывод, что «оранжевый пигмент» этих
водорослей должен принимать участие в сенсибилизации.
Пятьдесят лет спустя Монфорт [60] сравнил скорость фотосин-
теза при освещении белым и оранжево-красным светом одинаковой
интенсивности. В то время как продуктивность зеленых водорослей
(Ulva lactuca} была одинаковой в обоих случаях, бурые водоросли
620
Глава XXX
Dictyota dichotoma, Alaria и Desmarestia выделяли на оранжево-
красном свету в 2 раза меньше кислорода, чем при освещении белым
светом. Монфорт интерпретировал это явление как указание на то,
что бурые водоросли обладают более высокой относительной про-
дуктивностью в синей и фиолетовой областях спектра, и приписал
это присутствию фукоксантола. Позже Монфорт [72] и его сотруд-
ник Шмидт [80] установили, что удаление синих и фиолетовых
лучей из белого света понижало скорость фотосинтеза у бурых
водорослей Dictyota и Laminaria гораздо сильнее, чем у зеленой
Ulva. Они вычислили отношение Р[А (фотосинтез на единицу по-
глощенной энергии) для света различного спектрального состава,
используя падающий свет одинаковой интенсивности во всех обла-
стях спектра.
Некоторые произвольно выбранные данные из их обильного мате-
риала приведены в табл. 66. Не все цифры этой таблицы могут
считаться строго сравнимыми, но они показывают общее направление
полученных результатов.
У зеленых водорослей уменьшение Р// от красной к зеленой обла-
сти спектра и новое увеличение в синей области более или менее ясно
отражают изменения способности к поглощению и изменения в величине
квантов. Эти два фактора одинаково способствуют понижению выхода
в зеленой области спектра по сравнению с выходом в красной обла-
сти; однако в синей области спектра действие их взаимно противо-
положно. У бурых водорослей, за исключением Fucus, которую Мон-
форт классифицировал как «ксантофилловую водоросль» (тогда как
Laminaria и Dictyota он назвал «фукоксантоловыми водорослями»),
выходы в синей области спектра были неизменно на 30—40% выше,
чем в красной. Эти выходы оказались бы еще в 2 раза выше, если
бы их отнесли к поглощению только одного хлорофилла. В зеленой
области спектра значения Р[1 также были относительно выше, чем
следовало ожидать исходя из поглощения хлорофилла и величины
квантов. Монфорт и Шмидт на основании этих результатов пришли
к заключению, что из всех каротиноидов только фукоксантол спо-
собен участвовать в сенсибилизации фотосинтеза, а каротиноиды
зеленых водорослей совсем неактивны (критику примененных ими
методов см. у Эмерсона [81]).
Позже Монфорт [92] попытался несколько улучшить методы ис-
следования. Пигменты экстрагировались из водорослей, и их спектр
поглощения определялся в метанольном растворе; результаты пока-
заны на фиг. 93 и 94 (см. также табл. 20). Эти данные о поглоще-
нии пигментов были применены к результатам Габриэльсена и Сти-
ман-Нильсена [84], которые нашли, что при одинаковой интенсивно-
сти падающего света скорость выделения кислорода всегда выше
в синей, чем в красной области спектра (о подобном явлении сооб-
щили еще ранее Мотес, Баац и Загромский [91]). Как это следует
из данных табл. 67, разница особенно сильна на слабом свету.
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 621
Таблица 66
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ВЫХОД У ВОДОРОСЛЕЙ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА ')
(по Шмидту [80])
Водоросли
Pjl (зеленый)
Р/Z (красный)
Р/I (синий)
P/J (красный)
Зеленые
Cladophora.....................
Ulva lactuca ..................
Бурые
Laminaria digitata
Сильное освещение (1) . . . .
Умеренное освещение (1/3) . .
Слабое освещение (1/9) . . . .
Phyllitis fascia...............
Dictyota dichotoma.............
Fucus vesiculosus (бурая, но с низ-
ким содержанием фукоксан-
тола) .........................
0,49
0,46
0
0,91
1,00
0,90
0,38
0,80
0,82
1,29
1,32
1,23
1,40
1,48
0,59
х) PH для одинаковых интенсивностей падающего света.
Цифры таблицы 67 показывают совершенно ясно вполне понятную
постепенность перехода от условий слабого освещения, где выход
пропорционален поглощению и поэтому может быть выше в синей,
чем в красной области спектра (если поглощение в синей области
настолько велико, что пересиливает влияние большей величины
квантов), к условиям сильного (насыщающего) света, где скорость
фотосинтеза не должна зависеть и, повидимому, действительно не
зависит от длины волны. Монфорт [92] предпочитает, однако, взять
среднее из данных табл. 67 и считает, что отношение, равное 1,5
между скоростями процесса в синей и красной областях спектра,
указывает на активное участие каротиноидов в фотосинтезе. Исполь-
зуя кривые поглощения метанольных экстрактов, он вычислил, что
коэффициент превращения энергии на синем свету в 1,03 раза больше,
чем на красном, если его отнести к поглощению всех пигментов, и
в 2,46 раза больше, если его отнести к поглощению только одного
хлорофилла. Если же исходить только из величины квантов, то ско-
рость превращения энергии на синем свету должна быть в 0,68 раза
меньше, чем на красном.
У бурых водорослей {Laminaria digitata) подобный расчет, осно-
ванный на собственных измерениях Монфорта, дал отношения выходов
энергии, отнесенных к общему поглощению всех пигментов, равные 0,86 и
622
Глава XXX
1,18 (для двух различных комбинаций фильтров), тогда как отноше-
ния величины квантов были соответственно равны 0,64 и 0,77. Этот
расчет вновь указывает на более высокий квантовый выход в сине-
фиолетовой, чем в красной области спектра. Основываясь лишь на
номинальном значении полученных Монфортом величин, следовало бы
предположить, что каротиноиды диатомовых и бурых водорослей
являются в несколько раз более эффективными сенсибилизаторами,
чем хлорофилл.
Мотес, Баац и Загромский [91], Баац [95] и Загромский [104]
описали наблюдения над скоростью фотосинтеза в фильтрованном
красном и синем свете, равной (в единицах энергии) интенсивности.
Для диатомовой водоросли Chaetoceras simplicia centrosperma они
нашли отношение этих скоростей равным 1 : 1,2, а для двух одно-
клеточных зеленых водорослей—1:0,7 и приписали лучшее исполь-
зование синего света бурыми водорослями присутствию фукоксантола.
В этих экспериментах материал для исследования выбран более удо-
влетворительно, чем в опытах Монфорта (одноклеточные водоросли
вместо толстых слоевищ), однако использование широких спектраль-
ных полос и полное отсутствие измерений поглощения, которые
позволили бы приблизительно определить долю некоторых пигментов
в поглощении, делает результаты этих экспериментов также нена-
дежными. Мотес и его сотрудники указали на трудность оценки по-
глощения пигментов из-за разницы в спектре каротиноидов in vivo
и in vitro. На существование такой разницы ясно указывает перемена
окраски от бурой к зеленой, происходящая при помещении бурых *
водорослей в горячую воду (по мнению названных авторов, такая
обработка разрушает молекулярную связь каротиноидов с хлорофил-
лом и белками).
Квантовый выход и спектр действия фотосинтеза у красных
и синих водорослей. Роль фикобилинов
История наших знаний о роли фикобилинов в сенсибилизации
фотосинтеза красных и синих водорослей весьма похожа на историю
исследования роли каротиноидов в бурых водорослях. Здесь также
мы находим догадку (как мы теперь знаем, правильную), сделанную
Энгельманом уже в 1883 г., о том, что фикобилины являются актив-
ными сенсибилизаторами фотосинтеза, затем серию неопределенных,
неубедительных наблюдений и расчетов различных авторов, стремя-
щихся главным образом подтвердить эту догадку, и, наконец, коли-
чественные анализы квантового выхода как функции длины волны,
выполненные Эмерсоном и Льюисом [96, 97, 101] и Гаксо и Блинк-
сом [ИЗ], которые дали убедительное подтверждение правильности
идей Энгельмана. Так же как и в предыдущем разделе, мы рассмот-
рим сначала наиболее современные и надежные исследования.
Из табл. 49 следует, что Эмерсон и Льюис [96, 97], сравнивая
квантовые выходы для различных растений при освещении желтым
Световой фактор. Качество света. Ром сопровождающих пигментов 623
Таблица 67
ОТНОШЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ФОТОСИНТЕЗА ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ
В СИНЕМ И КРАСНОМ СВЕТЕ
(по Габриэльсену и Стиман-Нильсену [84])
Падающий свет,	Р (синий)	Падающий свет,	Р (синий)
кал/см^-сек	Р (красный)	ка^см^сек	Р (красный)
0,25	1,8	1,7	1,4
0,5	1,6	2,4	1,3
1,0	1,5	3,7	1,1
светом натриевой лампы, не нашли разницы между зелеными расте-
ниями и сине-зеленой водорослью Chroococcus, хотя в последней
гораздо больше половины поглощения в желтой области спектра было
обусловлено фикоцианином. Этот результат одного предварительного
исследования был сам по себе более убедительным доказательством
активности фикобилинов при фотосинтезе, чем все прежние очень
многочисленные выводы и рассуждения на эту тему. Он был подтвер-
жден и расширен позже теми же авторами [105] при систематическом
исследовании соотношения между длиной волны света и квантовым
выходом у той же сине-зеленой водоросли.
Клетки Chroococcus несколько меньше по размеру, чем клетки
Chlorella (диаметром 2,5 р), и окружены студенистой оболочкой. Они
рассеивают свет слабее, чем Chlorella, вероятно, вследствие отсут-
ствия хлоропластов (см. гл. XIV, т. I). Это делает более легким
определение кривой поглощения и ведет к лучшему согласованию
между кривой поглощения неповрежденных клеток и кривой, получен-
ной путем суммирования соответственно сдвинутых кривых поглоще-
ния экстрагированных пигментов (см. фиг. 97, Б). Основной разницей
между «клеточным» и «суммированным» спектрами остается явное
расширение красной полосы хлорофилла и некоторое понижение по-
глощения при X < 510 .мр. для живых клеток.
Клетки Chroococcus помещались в карбонатный буфер (85% 0,1 М
NaHCO3-J-15% 0,1 М Na2CO3). Эти водоросли могут жить без калия,
но не без натрия. Метод определения у был тот же самый, что и
в работе с Chlorella. В красной области спектра использовались по-
лосы шириной 6—10 жа, в сине-фиолетовой—15—20 мр; фотосинтез
и дыхание измерялись в сменяющиеся 10-минутные периоды темноты
и освещения: значение Р выводилось из скорости выделения кисло-
рода во вторую половину периода освещения. Исследовались и кон-
центрированные (полностью поглощающие) и разбавленные (частично
поглощающие) суспензии.
Квантовый выход фотосинтеза Chroococcus как функция длины
волны показан на фиг. 251. Так же как и у Chlorella, приблизительно
624
Г ла«а XXX
постоянен между 570 и 690 мр (если не считать небольшого плоского
максимума около 680 жр.), несмотря на то, что у Chlorella все погло-
щение в этой области обусловливается хлорофиллом, тогда как
у Chroococcus более половины всего поглощения в области спектра
между 560 и 650 мр следует приписать фикоцианину. Судя по фиг. 98,
I поглощение фикоцианина при 600 мр должно быть, по крайней мере,
в 6 раз больше, чем поглощение хлорофилла при той же длине волны;
однако квантовый выход в этой области является таким же, как и
у 660—680 мр, где хлорофилл обусловливает практически все погло-
щение. Таким образом, фотосинтетическая активность фикоцианина
Фиг. 251. Квантовый выход фотосинтеза Chroococ-
cus [101].
/—линия проведена через экспериментальные точки; значения, по-
лученные в различных опытах, отмечены различными символами;
II—ожидаемая зависимость квантового выхода от длины волны;
предполагается, что выход для света, поглощенного хлорофил-
лом и фикоцианином, равен 0,08 при всех длинах волн, а свет,
поглощенный каротиноидами, не используется при фотосинтезе.
у Chroococcus должна быть равной активности хлорофилла с макси-
мальной возможной разницей порядка 10—15°/0.
Другой способ представления тех же самых результатов показан
на фиг. 252. В этом случае спектр поглощения разбавленной суспен-
зии клеток Chroococcus сравнивается с квантованным спектром дей-
ствия фотосинтеза. Почти полный параллелизм двух кривых в области
спектра А > 570 мр показывает, что свет, поглощенный и хлорофил-
лом, и фикоцианином, в одинаковой степени доступен для фотосин-
теза. Особенно убедительным доказательством этого служит наличие
у обеих кривых двух отдельных максимумов около 620 и 670 мр,
которые должны быть приписаны соответственно фикоцианину и
хлорофиллу. Большое расхождение кривых в области 420—550 мр
свидетельствует об отсутствии эффективности или о сравнительно
малой эффективности света, поглощенного каротиноидами. Однако
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 625
если считать каротиноиды полностью неактивными, то построенная
по вычислениям кривая покажет заниженный квантовый выход в об-
ласти 450—550 жр (ср. пунктирную линию на фиг. 251). Наилучшее
совпадение вычисленных и экспериментальных данных можно полу-
чить, если принять квантовый выход для света, поглощенного хлоро-
филлом и фикоцианином, равным 0,08, а для света, поглощенного
каротиноидами, равным 0,016.
Изучая спектры действия нескольких видов красных водорослей,
Гаксо и Блинке (ИЗ] получили удивительные результаты. Ими
Фиг. 252. Сравнение спектра действия и
спектра поглощения для Chroococcus [101].
-------прямое измерение;------------по фотосинтезу.
применялся полярографический метод, который время от времени про-
верялся путем определения кислорода и манометрическими измерениями.
Интенсивность света была достаточно низкой (приблизительно в 2 раза
больше компенсирующей интенсивности), для того чтобы результаты
приближались к максимальным квантовым выходам.
Было найдено, что у зеленой водоросли Ulva taeniata (фиг. 253, А)
спектр действия почти повторяет спектр поглощения, за исключением
далекой красной области, X > 700 жр, где выход понижается до нуля,
что уже было отмечено Эмерсоном и Льюисом (см. фиг. 239). Кроме
того, имеется также уже отмеченное ранее понижение выхода около
480 жр, которое интерпретируется как свидетельство частичной неак-
тивности каротиноидов в зеленых клетках. Следует, однако, заметить,
что это понижение выхода исчезает при 415 жр, хотя в этой области
значительная часть света (больше 50% в экстрактах) должна погло-
щаться каротиноидами.
У бурой водоросли Coilodesme (фиг. 253, Б) спектр действия
также идет достаточно параллельно со спектром поглощения, с неко-
торым понижением, порядка 20%, в области сильного поглощения каро-
тиноидов. У красных водорослей Delesseria declpiens (см. фиг. 253, В),
Porphyra nereocystls (см. фиг. 253, Г), Porphyra naiadum (пурпурная,
40 Зак. 4040. Е. Рабинович
Фиг. 253.‘Спектры действия [113].
A. Viva taeniata. Б. Coilodesme. В. Delesseria decip tens', Г. Porphyra nereocystis. Д. Porphyra
naiadum. E и Ж. Porphyra perforata.
---поглощение слоевища;.....спектр действия;-------— водный экстракт (на гра*
фике Г—экстрагированный фикоэритрин).
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 62?
что указывает на относительно высокое содержание фикоцианина;
см. фиг. 253, Д) и Porphyra perforata (зеленая вегетативная часть,
содержащая главным образом фикоцианин, и красный цистокарпий;
см. фиг. 253, Е, Ж) спектры действия очень сильно отличаются от
спектра поглощения. Они показывают несомненные максимумы, соот-
ветствующие пикам поглощения фикоэритрина у 500 и 565 му и
пику фикоцианина у 620 му (см. фиг. 253, Д, Е), но имеют только
очень слабо выраженные максимумы, соответствующие красной и си-
ней полосам поглощения хлорофилла. Оценка квантового выхода дала
величины порядка 0,06 в полосах фикоэритрина и только 0,02 —
в полосах хлорофилла. Подобные же результаты были получены
с некоторыми другими Bangiales и Florideae. Свет, поглощенный
каротиноидами, повидимому, так же мало эффективен, как и погло-
щенный хлорофиллом. Некоторые виды показывают небольшое уве-
личение активности при А = 440 му. Однако в силу того, что увели-
чение совпадает с увеличением поглощения водного экстракта фико-
билина, оно не может быть интерпретировано как свидетельство
фотосинтетической активности хлорофилла или каротиноидов.
Эти неожиданные результаты показывают, что в противополож-
ность всем другим растениям у красных водорослей или, по крайней
мере, у некоторых из них прямая сенсибилизация хлорофиллом играет
только второстепенную роль и фотосинтез этих водорослей сенсиби-
лизируется прежде всего фикобилинами. Если это так, то кажется
мало вероятным, чтобы кванты энергии, поглощенные фикобилинами,
передавались хлорофиллу, ибо непонятно, почему непрямое возбужде-
ние хлорофилла должно быть более эффективным, чем возбуждение,
обусловленное энергией, поглощенной непосредственно хлорофиллом.
Скорее можно предполагать, что эти результаты указывают на само-
стоятельное действие фикобилинов в качестве сенсибилизаторов фото-
синтеза. Возможно даже, что в присутствии фикобилинов хлорофилл
является излишним, хотя до сих пор не удавалось обнаружить красных
водорослей, не содержащих хлорофилла.
Однако ниже мы увидим, что возможна и другая, не менее не-
ожиданная интерпретация этих результатов.
У одного из видов Iridophycus, который становится почти зеле-
ным в момент наибольшего прилива, при ориентировочных опытах
было отмечено гораздо более сильное участие хлорофилла в процессе
фотосинтеза.
Гаксо и Блинке сообщили, что в противоположность результатам
Эмерсона и Льюиса с Chroococcus они нашли только слабую актив-
ность хлорофилла также и у двух сине-зеленых водорослей: Anaboena
и Oscillatoria, спектры действия которых оказались подобны спектру
Porphyra perforata (см. фиг. 253, Е). Они предположили, что условия
выращивания могут влиять на относительную активность различных
пигментов водорослей, принадлежащих к одному и тому же классу
и даже виду.
40*
628
Глава XXX
Гаксо и Блинке отметили, что скорость фотосинтеза при насы-
щении у Delesseria является одинаковой при синем (565 лр.) и красном
(672 лр.) свете. Это, повидимому, указывает, что энзиматический
механизм фотосинтеза или, по крайней мере, лимитирующие скорость
фотосинтеза энзиматические реакции будут одинаковыми независимо
от того, поглощаются ли кванты фикобилином или хлорофиллом.
В гл. XXIV нами были описаны исследования флуоресценции,
проведенные Френчем с сотрудниками [117] и Дейзенсом [116], кото-
рые указывают на возможность передачи у красных водорослей энер-
гии возбуждения от каротиноидов и фикобилинов к хлорофиллу а,
а у некоторых из этих водорослей — от хлорофилла а к хлорофиллу d
(несмотря на низкую концентрацию последнего). Если допустить, что
переход к хлорофиллу d является «утечкой», которая делает энергию
недоступной для фотосинтеза, то результаты Гаксо и Блинкса ста-
новятся понятными. Неясно, однако, почему энергия, перешедшая
от фикобилинов к хлорофиллу а, не теряется через хлорофилл d,
а остается все же доступной для фотосинтеза. В гл. XXIV было
отмечено, что эта энергия задерживается у хлорофилла а достаточно
долго, чтобы вызвать его флуоресценцию, тогда как большая часть
энергии, поглощенной самим хлорофиллом а, возбуждает флуоресцен-
цию хлорофилла d. Для возможного объяснения причин такой раз-
ницы в судьбе энергии возбуждения были выдвинуты два предполо-
жения; однако вследствие недостаточности материала они неубеди-
тельны.
Наблюдения Дейзенса являются в настоящее время самым сильным
аргументом в пользу той гипотезы, что хлорофилл а есть единствен-
ный пигмент, прямо участвующий в фотосинтезе, и не только каро-
тиноиды, но также и фикобилины сенсибилизируют фотосинтез путем
передачи энергии возбуждения хлорофиллу а. Другим аргументом,
поддерживающим эту точку зрения, служат наблюдения Френча и
сотрудников [117], обнаруживших, что выход флуоресценции фико-
билинов в водорослях не показывает ни одного из тех индукционных
эффектов и своеобразных изменений в зависимости от интенсивности
света, которые широко обсуждались в гл. XXIV и XXVIII и которые
указывают на существование тесной связи между хлорофиллом и хими-
ческими процессами фотосинтеза.
По сравнению с измерениями Эмерсона и Льюиса, а также Блинкса
и Гаксо все более ранние исследования роли фикобилинов при фото-
синтезе имеют лишь второстепенное значение. Большинство из этих
исследований проведено на красных водорослях и послужило для
создания энгельмановской теории дополнительной хроматической адап-
тации этих водорослей к сине-зеленому свету, преобладающему под
водой. Совершенно очевидно, что цветовая адаптация полезна водо-
рослям только в том случае, если свет, поглощенный красными пиг-
ментами, может быть использован для фотосинтеза. Вследствие того,
что красный и сине-фиолетовый свет поглощается водой, полное
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 629
использование излучения центральной области видимого спектра, ко-
торое лишь в незначительной степени поглощается хлорофиллом, жиз-
ненно необходимо для водорослей, живущих глубоко под водой. Это
соображение было основой теории хроматической адаптации, развитой
Энгельманом в 1884 г.
В первой четверти текущего столетия этот вопрос почти пол-
ностью выпал, из поля зрения исследователей, так как все внимание
заняло применение новых методов количественного изучения фотосин-
теза зеленых листьев, разработанных Блэкманом с его сотрудниками
и Вильштеттером и Штолем. Позднее Варбург сделал зеленую Chlo-
rella излюбленным объектом фотосинтетических исследований. При
работе с зелеными растениями присутствие сопутствующих пигментов
рассматривалось в основном только как помеха. Ни их концентрация,
ни их роль в поглощении света не были настолько значительными,
чтобы сделать их объектом самостоятельного изучения, однако их
присутствие мешало количественному исследованию фотосинтеза,
сенсибилизированного хлорофиллом, в коротковолновой области види-
мого спектра.
Тот факт, что синие и красные водоросли представляют гораздо
более удобный объект для изучения роли сопутствующих пигмен-
тов при фотосинтезе, был почти совершенно забыт. Энгельман [16],
однако, отметил уже в 1883 г., используя подвижные бактерии
для определения кислорода, что максимум фотосинтетической актив-
ности красных водорослей (Callithamnion и Ceramium) лежит в зе-
леной области спектра, а максимум синих водорослей (Oscillatoria и
Nostoc) — в желтой области спектра. Как и у зеленых растений, поло-
жение максимума фотосинтеза приблизительно совпадало с положением
максимума светового поглощения. Годом позже Энгельман [18] описал
микроспектрофотометр, при помощи которого он смог показать, что
параллелизм между спектром поглощения и фотосинтетическим спек-
тром действия цветных водорослей является количественным. Он пришел
к заключению, что все пигменты, участвующие в поглощении света
водорослями, участвуют также и в фотосинтезе, и выразил свой
вывод в виде уравнения £Погл = Дюсимил, которое является прямым
вызовом концепции, приписывающей хлорофиллу исключительную роль
при сенсибилизации фотосинтеза (Е в уравнении Энгельмана обозна-
чает энергию).
В гл. XV обсуждался один из разделов теории Энгельмана — по-
нятие о хроматической адаптации как о факторе, определяющем со-
став пигментной системы в растениях. Здесь мы коснемся другого
аспекта того же самого явления — хроматической адаптации как фак-
тора, позволяющего растениям лучше использовать доступную им све-
товую энергию.
В гл. XV было упомянуто, что Ольтманс [26] и другие (наиболее
поздние работы Рихтера [32] и Сарджента [61]) возражали против
теории Энгельмана так же, как и против распространения этой тео-
630
Глава XXX
рии Гайдуковым на искусственно вызываемые изменения цвета сине-
зеленых водорослей, и настаивали на том, что водоросли реагируют
только на изменения интенсивности, но не на изменения спектраль-
ного состава света.
Рихтер [32] выдвинул еще одно возражение и утверждал, что
хроматическая адаптация не может достичь той цели, о которой
говорил Энгельман, так как фикобилины не действуют как сенсиби-
лизаторы фотосинтеза. Правда, при сравнении отношения фотосинте-
тической активности зеленой водоросли Ulva lactuca в красном и
зеленом свете с соответствующим отношением для Plocamium, Calli-
thamnion, Delesseria и других красных водорослей, Рихтер нашел,
что эффективность фотосинтеза в зеленом свете у красных водоро-
слей в 2—3 раза больше, чем у зеленых, и, таким образом, подтвер-
дил результаты Энгельмана. Тем не менее он отрицал, что эти
наблюдения доказывают фотосинтетическую активность красных пиг-
ментов. Он указал, что подобная разница получается также при
изменении интенсивности света, и предположил, что красные водо-
росли лучше используют зеленый свет не потому, что он имеет
соответствующую длину волны, а потому, что этот свет слабо по-
глощается хлорофиллом, а красные водоросли адаптированы к сла-
бому освещению.
Однако более поздние исследования не подтвердили точку зрения
Рихтера. Вюрмзер и Дюкло [39, 40], сравнивая интенсивность фото-
синтеза красных и зеленых слоевищ Rhodymenia palmata и Chond-
rus crispus, нашли, что красные разновидности дают выходы в
2—3 раза больше, чем зеленые. Вюрмзер [37, 38] сравнил интенсив-
ность фотосинтеза зеленой водоросли Ul/va lactuca с интенсивностью
этого процесса у красной водоросли Rhodymenia на красном, зеленом
и фиолетовом свету и нашел, что если принять за единицу скорость
фотосинтеза на красном свету, то на зеленом свету она составит
0,24 для Ulva и 0,49 для Rhodymenia, а на фиолетовом соот-
ветственно 0,81 и 0,16 (при одинаковой интенсивности падающего
света).
Таким образом, красные водоросли более активны, чем зеленые
водоросли, при зеленом освещении, но менее активны при фиолето-
вом. По мнению Вюрмзера, существование эффектов интенсивности,
которые имел в виду Рихтер, вовсе еще не означает, что и эффекты
окраски представляют собой лишь косвенное следствие изменения
интенсивности света.
Подобные же результаты были получены Хардером [44], который
пришел к заключению, что в природе имеют место и хроматическая
адаптация, и адаптация к интенсивности света. Он, так же как и
Эрке [49], считал, что результаты измерений скорости фотосинтеза
красных водорослей указывают на активное участие фикобилинов
в процессе фотосинтеза. Того же мнения придерживались Монфорт
[72] и Шмидт [80], которые нашли, что спектральный максимум про-
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 631
дуктивности фикоцианиновых водорослей лежит в желтой, а фико-
эритриновых— в зеленой области спектра.
Левринг 1109) определял спектры действия фотосинтеза ряда
морских водорослей в фильтрованном солнечном свете (от подобных
измерений можно ожидать только качественных результатов вслед-
ствие относительно высокой интенсивности света и относительно
сильного поглощения слоевищ). Он нашел доказательства особо силь-
ной эффективности фотосинтеза (высокое значение отношения вы-
ход/поглощение) на зеленом свету для 10 видов красных водорослей
и заключил из этого, что красный фикобилиновый пигмент обладает
не меньшей, если не большей активностью, чем зеленый хлоро-
филл.
Сравнивая эти результаты со своими измерениями спектрального
распределения света на различных глубинах, он пришел к выводу,
что благодаря наличию красного пигмента красные водоросли лучше,
чем зеленые, используют сине-зеленый свет на больших глубинах,
как это и постулирует теория Энгельмана — Гайдукова. Он соглашался,
однако, что адаптация к слабой интенсивности света является аль-
тернативным путем приспособления к жизни на больших глубинах;
важный элемент ее составляет слабое дыхание.
Таким образом, предварительные наблюдения над относительной
эффективностью фотосинтеза красных водорослей на свету различ-
ного спектрального состава подтверждают (и даже более согласованно,
чем наблюдения над бурыми водорослями), что сопутствующие пиг-
менты этих организмов являются активными сенсибилизаторами фото-
синтеза и что энгельмановская теория хроматической адаптации
в основе своей представляется правильной. И как бы, в сущности,
могло быть иначе? Трудно предположить, что появление у глубоко-
водных водорослей оранжевых или красных пигментов представляет
собой простую случайность. Условия светового поля, в котором
живут эти растения, явно вынуждают их улавливать и использовать
для поддержания своего существования единственное излучение, ин-
тенсивность которого на больших глубинах имеет сколько-нибудь
существенное значение, — излучение средней области видимого
спектра.
Можно возразить, что не все глубоководные водоросли являются
красными, некоторые зеленые водоросли также встречаются на боль-
ших глубинах. Иначе говоря, водоросли могут выжить на самых
больших глубинах, где только встречается жизнь. Однако этот факт,
сам по себе, не является убедительным аргументом против теории
Энгельмана. Водоросли могут приспосабливаться к жизни на больших
глубинах двумя путями: путем уменьшения дыхания до уровня, при
котором рост возможен даже в исключительно слабом и слабо погло-
щаемом свете, и путем приспособления своей пигментной системы
для усиленного поглощения доступного им излучения. И если первый
путь оказался пригодным для некоторых видов зеленых водорослей,
632
Глава XXX
то этот факт еще не опровергает гипотезу, согласно которой крас-
ные водоросли для той же цели используют хроматическую адап-
тацию.
Другое возражение против теории Энгельмана состоит в том, что
многие красные водоросли живут на поверхности или неглубоко под
поверхностью воды и что фикобилины имеются также и в сине-зеле-
ных водорослях, которые представляют собой поверхностные орга-
низмы. Известно, однако, что красные водоросли часто склонны под
воздействием солнечного света терять свой фикобилин и становиться
зелеными (см. т. I, гл. XV); но если даже для многих из них (так
же как и для сине-зеленых водорослей) присутствие фикобилина
является полезным или, по крайней мере, безвредным и при жизни
на поверхности, то это еще не доказывает, что фикобилины не
являются пигментами, первичным назначением которых было приспо-
собление водорослей к фотосинтезу глубоко под водой. Можно задать
себе вопрос — особенно в свете экспериментов Блинкса, — не является
ли фотосинтез при помощи фикобилинов более старым процессом,
чем фотосинтез с использованием хлорофилла; возможно, что образо-
вание зеленого пигмента и замена им фикобилинов являются резуль-
татом более поздней эволюции, при которой растительная жизнь,
возникшая в глубинах океана, мигрировала на поверхность воды и
затем распространялась на сушу.
Спектр действия у пурпурных бактерий
В своем фундаментальном исследовании жизнедеятельности фото-
синтезирующих бактерий Энгельман [24] установил, что если отбро-
сить спектр на культуру этих бактерий, то развитие происходит
только в тех участках спектра, которые соответствуют поглощению
зеленого пигмента, называемого теперь бактериохлорофиллом.
Пурпурные бактерии содержат также многочисленные кароти-
ноиды, полосы поглощения которых резко отграничиваются от полос
бактериохлорофилла. Френч [76] нашел, что спектр действия Strep-
tococcus varians, определенный по скорости поглощения водорода
(фиг. 254), идет параллельно спектру поглощения в желтой и крас-
ной областях спектра, но не показывает максимумов в зеленой или
синей области, где находятся полосы поглощения каротиноидов
(см. табл. 68).
Френч пришел к заключению, что красные каротиноидные пиг-
менты пурпурных бактерий фотосинтетически неактивны. Следует от-
метить, что со спектроскопической точки зрения пурпурные бактерии
особенно удобны для изучения роли каротиноидов благодаря тому,
что максимумы поглощения бактериальных каротиноидов не закры-
ваются полосами поглощения хлорофилла, как у зеленых растений и
даже у «фукоксантоловых» водорослей.
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 633
Таблица 68
ПОЛОЖЕНИЕ МАКСИМУМОВ в спектрах
STREPTOCOCCUS VARIANS
(по Френчу [76])
Экстракт пигмен- тов в метаноле	Неповрежденные клетки	Спектр действия фотосинтеза
410	420	
—	4901)	—
—	510 9	—
—	550 9	—
605	590	590
770	880	900
Полосы каротиноидов.
Вермейлен, Вассинк и Реман [75] также нашли, что развитие
Chromatlum имеет место главным образом в областях спектра, соот-
ветствующих полосам поглощения
бактериохлорофилла (инфракрасная,
красная и узкая полоса при 590 жи.),
а не красных каротиноидных пигмен-
тов.
Однако позже Мантен и Томас
обнаружили, что дело обстоит более
сложно. Сначала Мантен [ПО] нашел
в спектре действия фототаксиса
Rhodospirilium rubrum у 590 жр.
пики, соответствующие пикам погло-
щения и бактериохлорофилла, и не-
которых из каротиноидов (однако не
главного каротиноида этих клеток —
спириллоксантола). Он предположил,
что механизм фототаксиса Rhodo-
spirillum включает в себя прежде
всего стимулирование фотосинтеза и
что поэтому полученный спектр дей-
ствия фототаксиса указывает на
активное участие некоторых (но не
всех) каротиноидов пурпурных бак-
терий в фотосинтезе. Томас [112]
исследовал спектр действия фотосин-
теза этого же организма при помощ
Ф н г. 254. Скорость поглощения
СО2 очень разбавленной суспен-
зией Streptococcus varians как
функция длины волны падающего
света [76]. Шкала скорости пред-
ставляет число молекул СО2
(умноженное на 100) на 1 квант
падающего света.
манометрического метода, изме-
ряя поглощение двуокиси углерода в присутствии 0,015 М бутирата
натрия в качестве водородного донора (см. гл. V). Из-за сигмообразной
634
Глава XXX
формы световой кривой спектр действия определялся путем изме-
рения отношения ДСО2 на свету данной длины волны (полосы, изо-
лированные фильтрами Христиансена) к ДСО2 на свету стандартной
длины волны (желтая линия натрия). Полученный спектр действия
в области между 460 и 650 мц имел пик около 590 мц, принад-
лежащий бактериохлорофиллу, и три пика, которые могли быть
приписаны каротиноидам. Однако никакого максимума фотосинтеза
нельзя было заметить при 550 мц, где кривая поглощения клеток
имеет явно выраженный пик (см. фиг. 74 и табл. 68); последний
приписывается встречающемуся в наибольшем количестве бактериаль-
ному каротиноиду, спириллоксантолу, который, следовательно, не-
активен ни при фотосинтезе, ни при фототаксисе. Полученные упо-
мянутыми авторами спектры действия очень близки друг к другу,
и этот результат поддерживает гипотезу Мантена о том, что фото-
таксис является следствием усиленного фотосинтеза.
Наблюдения Дейзенса [116] над сенсибилизированной каротинои-
дами флуоресценцией бактериохлорофилла Chromatium и Rhodospi-
rillum (см. гл. XXIV) указывают, что способность каротиноидов пур-
пурных бактерий сенсибилизировать фототаксис и фоторедукцию СО2
может основываться на переходе энергии их возбуждения к бакте-
риохлорофиллу.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Senebier J., Experiences sur 1’action de la lumiere solaire dans la vegetation,
Barde-Manget, Geneva, 1788.
2.	Draper J. W„ Ann. chim. phys. [3], 11, 214 (1844).
3.	Sachs J., Botan Z„ 22, 353, 361, 369 (1864).
4.	Тимирязев К., Botan. Z., 27, 169 (1869).
5.	Pfefter W., Arch, botan. Inst. Wurzburg [1], 1, (1871).
6.	Lommel E., Ann. Phys. Chem. (Poggendorf), 143, 568 (1871).
7.	Lommel E., Ann. Phys. Chem. (Poggendorf), 145, 772 (1872).
8.	Muller N. J. C., Botanische Untersuchungen, vol. I, Heidelberg, 1872, p. 3.
9.	Тимирязев К., Об усвоении света растением, Петербург, 1875.
10.	Тимирязев К., Ann. Chim. phys. [5], 12, 355 (1877).
11.	Pringsheim	N.,	Monatsber. preuss. Akad. Wiss. Berlin,	532,	860	(1879).
12.	Pringsheim	N.,	Monatsber. preuss. Akad. Wiss. Berlin,	532,	860	(1879).
13.	Pringsheim	N.,	Jahrb. wiss. Botan., 12, 288 (1881).
14.	Pringsheim	N.,	Jahrb. wiss. Botan., 13, 377 (1882).
15.	Engelmann T. W., Botan. Z., 40, 419 (1882).
16.	Engelmann T. W., Botan. Z., 41, 1, 17 (1883).
17.	Reinke J., Botan. Z., 42, 1 (1884).
18.	Engelmann T. W., там же, 42, 81 (1884).
19.	Тимирязев К., Ann. sci. nat., botan. et biol. vegetabe [7], 2, 99 (1885).
20.	Pringsheim N., Ber. deut. botan. Ges., 4, XC (1886).
21.	Pringsheim N., Jahrb. wiss. Botan., 17, 162 (1886).
22.	Engelmann T. W. Botan. Z., 45, 100 (1887).
23.	Engelmann T. W., там же, 45, 393, 409, 425, 441, 457 (1887).
24.	Engelmann T. W., Botan. Z., 46, 661, 677, 693, 709 (1888).
25.	Тимирязев К., Compt. rend., 110, 1346 (1890).
26.	Oltmanns F., Jahrb. wiss. Botan., 23, 349 (1893).
27.	Kohl F. G., Ber. deut. botan. Ges., 15, 111, 361 (1897).
Световой фактор. Качество света. Роль сопровождающих пигментов 635
28.	Richter A., Rev. gen. botan., 14, 151, 211 (1902).
29.	Тимирязев К., Proc. Roy. Soc. London, B72, 424 (1903).
30.	Kohl F. G„ Ber. deut. botan. Ges., 24, 222 (1906).
31.	Kniep H., Minder F., Z. Botan., 1, 619 (1909).
32.	Richter A., Ber. deut. botan. Ges., 30, 280 (1912).
33.	Ursprung A., Ber. deut. botan. Ges., 35, 44 (1917).
34.	Ursprung A., Ber. deut. botan. Ges., 36, 73 (1918).
35.	Ursprung А., там же, 36, 87, 111 ,(1918).
36.	Willstatter R., Stoll A., Untersuchungen iiber die Assimilation der Kohlensa-
ure, Springer, Berlin, 1918, p. 114, 141.
37.	Wurmser R., Compt. rend., 171, 820 (1921).
38.	Wurmser R., Arch. phys. biol., 1, 33 (1921).
39.	Wurmser R., Ducleaux J., Compt, rend., 171, 1231 (1921).
40.	Wurmser R., Ducleaux J„ Recherches sur 1’assimilation chlorophyllienne,
Paris, 1921.
41.	Noack K., Z. Botan., 14, 1 (1922).
42.	Warburg O., Negelein E., Z. phys. Chem., 106, 191 (1923).
43.	Любименко В., Compt. rend., \T1, 606 (1923).
44.	Harder R., Z. Botan., 15, 305 (1923).
45.	Wurmser R., Ann. physiol, physlcochim biol., 1, 47 (1925).
46.	Briggs G. E., Proc. Roy, Soc. London, B105, 1 (1929).
47.	Kuilman L. W., Rec. trav. botan. neerland., 27, 287 (1930).
48.	Schmucker T., Jahrb. wiss. Botan., 73, 824 (1930).
49.	Ehrke G., Planta, 17, 650 (1932).
50.	Dastur R. H., Asana R. D„ Ann. Botany, 46, 879 (1932).
51.	Meier F. E., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 87, № 10 (1932),
52.	Dastur R. H., Samant К. M., Ann. Botany, 47, 295 (1933).
53.	Arnold W., J. Gener. Physiol., 17, 135, 145 (1933).
54.	Burns G. R., Plant Physiol., 8, 247 (1933).
55.	Bums G. R., Science, 78, 130 (1933).
56.	Voerkel S. H., Planta, 21, 156 (1933).
57.	Burns G. R„ Plant Physiol., 9, 645 (1934).
58.	Meier F. E., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 92, № 3 (1934).
59.	Franck J., Rabinowitch E., Trans. Faraday Soc., 30, 120 (1934),
60.	Montfort C., Jahrb. wiss. Botan., 79, 493 (1934).
61.	Sargent M. C., Proc. Nat. Acad. Sc., 20, 251 (1934).
62.	Dastur R. H., Gunjikar L. K., Ann. Botany, 48, 1003 (1934).
63.	Dastur R. H., Gunjikar L. K., Ann. Botany, 49, 273 (1935).
64.	Castle E. S., Cold Spring Harbor Symposia Quant. Biology, 3, 224 (1935).
65.	Gabrielsen E. K., Planta, 23, 474 (1935).
66.	Baly E. С. C., Proc. Roy. Soc. London, B117, 218 (1935).
67.	Dastur R. H., Mehta R. J., Ann. Botany, 49, 809 (1935).
68.	Данилов A. H., Советская ботаника, № 4, 3 (1935).
69.	Данилов A. H., Архив биология, наук, 43, 365 (1936). Эксперим. бота-
ника, 2; 5 (1936).
70.	Harder R., During В., Simonis W., Nachr. Ges. Wiss. Gottingen, Math.-
natur. KI., VI, 2, 129 (1936).
71.	Meier F. E., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 95, № 2 (1936).
72.	Montfort C., Jahrb. wiss. Botan., 83, 725 (1936).
73.	Hoover W. H.f Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 95, № 21 (1937).
74.	Franck J., Herzfeld K- F., J. phys. Chem., 41, 97 (1937).
75.	Vermeulen D., Wassink E. C., Reman G. H., Enzymologia, 4, 254 (1937).
76.	French C. S., J. gener. Physiol., 21, 71 (1937).
77.	Dastur R. H., Solomon S„ Ann. Botany, 1, 147 (1937).
78.	Johnston E. S., Smithsonian Inst. Pub. Misc. Collections, 96, № 3 (1937).
79.	Montfort C., Ber. deut. botan. Ges., 55, 142 (1937).
80.	Schmidt G., Jahrb. wiss. Botan., 85, 554 (1937).
636
Глава XXX
81.	Emerson R„ Ann. Rev. Biochem., 6, 535 (1937).
82.	Burns G. R., Am. J. Botany., 24, 257 (1937).
83.	Burns G. R., Am. J. Botany., 25, 166 (1938).
84.	Gabrielsen E., Steemann-Nielsen E„ Conseil permanent intern, exploration
de la mer; rapp. proc, verb., 108, 1938.
85.	Harder R., Simonis W., Nachr. Ges. Wiss. Gottingen, Math.-natur. KI., VI,
3, 129 (1938).
86.	Simonis W., Planta, 29, 129 (1938).
87.	Dastur R. H., Kanitkar U. K., Rao M. S., Ann. Botany, N. S., 2, 943 (1938).
88.	Данилов A. H., Эксперам. ботаника, 3, 1 (1938).
89.	Eichhoff H. J., Biochem. Z., 303, 112 (1939).
90.	Noddack W., Eichhoff H. J., Z. physik. Chem., A185, 222 (1939).
91.	Mothes K., Baatz I., Sagromsky H., Planta, 30, 289 (1939).
92.	Montfort C., Z. physik. Chem., A186, 57, 253 (1940).
93.	Gabrielsen E. K., Dansk. Botan. Arkiv., 10, 1 (1940).
94.	Seybold A., Botan. Arch., 42, 254 (1941).
95.	Baatz I., Plania, 31, 726 (1941).
96.	Emerson R., Lewis С. M., Am. J. Botany, 28, 789 (1941).
97.	Emerson R., Lewis С. M., Carnegie Inst. Yearbook, 40, 157 (1941).
98.	Dutton H. J., Manning W. M., Am. J. Botany, 28, 516 (1941).
99.	Franck J., French C. S., J. gener. Physiol., 25, 309 (1941).
100.	Burns G. R., Amer. J. Botany, 29, 381 (1942).
101.	Emerson R., Lewis С. M., J. gener. Physiol., 25, 579 (1942).
102.	Sen P., J. Indian Botan. Soc., 19, 147 (1942).
103.	Strain H. H., Manning W. M., J. Biol. Chem., 144, 625 (1942).
104.	Sagromsky H., Planta, 33, 299 (1943).
105.	Emerson R., Lewis C., Am. J. Botany. 30, 165 (1943).
106.	Варбург О., Люттгенс В., Биохимия, 11, 303 (1946).
107.	Wassink Е. С., Kersten J. А. Н., Enzymologia, 12, 3 (1946).
108.	Johnson Н. G., Levring Т., Goteborg К. Vetensk. Vitt-Samh. Handl., B5,
№ 3 (1946).
109.	Levring T., Goteborg К. Vetensk. Vitt-Samh. Handl., B5, № 6 (1947).
110.	Manten A., Antonie van Leeuwenhoek, 14, 65 (1947).
111.	Warburg O., Am. J. Botany, 35, 194 (1948).
112.	Thomas J. B., Biochim. Biophys. Acta, 5, 186 (1950).
113.	Haxo F. T„ Blinks L. R„ J. gener. Physiol., 33, 389 (1950).
114.	Ehrmantraut H., Thesis, Univ, of Illinois, 1950.
115.	Tanada T., Am. J. Botany, 38, 276 (1951).
116.	Duysens L. N. M., Nature, 1951 (в печати).
117.	French C. S„ Koski V. M., Proc. Soc. Exptl. Biol., 1951 (в печати).
предметный указатель
Адаптация к свету 408, 412, 413, 420,
522
Азид натрия 379
-----действие иа флуоресценцию 495
Алломеризация хлорофилла 20
Антибиотики 298
Антистрофия 88, 89
Аитоциаиииы 92, 126, 594
Апострофия 88
Аппарат Варбурга 256, 257, 322, 530
Ассимиляционное число 418
Атомная таутомеризация 204
Бактериовиридин 26
Бактериофеофитин 38
Бактериохлорофилл 38, 109, 632
Бимолекулярное химическое тушение
165
Биолюминесценция 255
«Блокада» акцептора 353, 354
Блэкмана закон 269—274
Бэра закон 58, 81, 359, 408
Виолаксантол 66
Внутренняя конверсия 157, 164, 208
Время ассимиляции 419
Время жизни возбужденного состоя-
ния хлорофилла 40, 41, 159, 228
Газообмен при фотосинтезе 293, 525,
527, 532, 536, 537
— влияние концентрации СОа 527
Гексафенилпорфииы 31
Гелиофилы 408, 413
Гидрирование 360
Гидрогеназа 367, 370
Гидроксиламин 377
Гиперболического насыщения закон
355
Движение хлоропластов 86
Двуокись углерода 262, 300—360,
365—373
— — восстановление при фотосинте-
зе 522
-----диффузия 327—334
Двуокись углерода, диффузия, ско-
рость 448
--- константа 450
---измерение потребления при фо-
тосинтезе 262
---концентрация, влияние иа флуо-
ресценцию 360—364
-------------фотосинтез 306—315,
317, 323, 334, 411, 412, 416
Дегидратация 323, 450
Детаутомеризация хлорофиллового
комплекса 466
Диадииоксаитол 67, 616
Диастрофия 88, 89
Диатонантол 67
Дигидропорфин 29
Димеризация хлорофилла 175
Диноксантол 67
Дыхание 316, 408, 415, 536
—	при освещении 543
—	скорость 290
Естественные световые поля 139
Задержанная флуоресценция (фосфо-
ресценция) 166, 204, 205
Закон Бэра 58, 81, 359, 408
—	гиперболического насыщения 355
—	лимитирующих факторов Блэкма-
на 269—274
«Закон минимума» Либнха 273, 358
Зеаксантол 65—67
Изомеризация 165
Изотопные индикаторы 265
Имидопорфины 32
Карбоксилирование, константа скоро-
сти 355, 357
—	медленное 342
— равновесие 335—339
Карбоксильная группа хлорофилла 33
Карбонильная пзуппа хлорофилла 33
Каротиноиды 65, 66, 587
Квантовый выход выделения кисло-
рода 567—569
638
Предметный указатель
Квантовый выход реакции Хилла
567—568
-----флуоресценции 504, 593
----- фоторедукции 563
-----фотосинтеза 250, 278, 442, 454,
473, 529, 531, 533, 557, 575, 576, 587,
602
—------в карбонатных буферных
растворах 543
-------действие прерывистого осве-
щения 541
-------измерение, колориметриче-
ский метод 560
----------манометрический метод
518—556
----------полярографический метод
558—560
----------химические методы 556—
558
-------максимальный 423—428, 438,
450, 516—578, 585
Квантовый выход — у бурых водорос-
лей 610
-------у диатомовых водорослей 612
-------у красных водорослей 622
—------у синих водорослей 622
Кислород 381
— действие на флуоресценцию 498—
500
— измерение выделения при фото-
синтезе 254
-------------магнитометрические
методы 260
Компенсационный пункт 314, 405,
407—410
Константа скорости диффузии 450
----- карбоксилирования 355, 357
-----флуоресценции 501
Концентрационное тушение 168
Коэффициент поглощения 120—123
— рассеяния 121—123
— экстинкции хлорофиллов 11
Кривые Блэкмана 272—273, 277, 280,
341, 444, 445
— Бозе 272, 273, 280, 338, 341, 444,
445
Криофилы 408
Ксантофилл 65
Культура водорослей 539
Лнбиха «закон минимума» 273, 358
Линейный участок кривой фотосинте-
за 405, 438
Лютеол 65—67
Магнитометрические методы опреде-
ления выделения кислорода при
фотосинтезе 260
Максимумы поглощения в спектрах
живых клеток 106
Медленное карбоксилирование 342
Метилфеофорбид 33
Метилхлорофиллид а 35
Монохроматические световые кривые
599—610
Наркотизация 473, 492
— влияние на скорость фотосинтеза
376, 410, 446, 557
-----на флуоресценцию 236, 373, 495
Насыщающая интенсивность света 412
Неодиадиноксантол 67
Неодиноксантол 67
р-Неокаротин 66
Неоперидинол 67
Неофукоксантол 66, 67, 616
N-Метилэтиопорфин 14
Обратные реакции при фотосинтезе
350, 467, 520
Определение углеводов, образующих-
ся при фотосинтезе 264
Отражение света растениями 85, 94,
97
-----хлорофиллом 58, 60
Парастрофия 88, 89
Перенос электронной энергии 166
Перидинол 67
Период Эмерсона—Арнольда 451
Пигментация красных водорослей 19
Поглощение света 82, 451, 529
-----бактериофиллом 23
-----водорослями 145
-----каротиноидами 130, 132, 136
-------максимумы 66, 67
-------полосы поглощения 113, 614
-------у бурых водорослей 132
Поглощение света каротиноидами
у сине-зеленых водорослей 137
-------удельные коэффициенты по-
глощении 69, 70
-----непластидными пигментами
92—95
-----пигментами 81
----- фикобилинами 137
-------полосы поглощения 115
— — фукоксантолом 614
-------полосы поглощения 115
-----хлорофиллами 128—130
—------кривые поглощения 13
-------максимумы поглощения 13,
45—49, 104, 108, 595
-------относительные коэффициен-
ты 52, 53
Предметный указатель
639
Половинное насыщение фотосинтеза
463
Полосы Соре 27
— флуоресценции 37
-----порфина 158
----- фикобилина 222
Полуденная депрессия фотосинтеза
285
Порфины 27, 35
Послесвечение хлорофилла 202, 205
Принцип Франка—Кондона 154
Продукция органического вещества
растениями 430
Пропускание света 86—91, 94, 96
----- кривая пропускания 120
-----хлорофиллами 58, 60
Протофеофитин 30
Протохлорофилл 30, 113
— красная полоса 113
Равновесие карбоксилирования 335—
339
Распределение поглощенной энергии
между пигментами 126—145
------- в однородной смеси 127
Реакция дисмутации 524
— Каниццаро 524
— Хилла 360, 568, 570, 595
Родины 27, 28, 35
Родовиоласцин 67
Родопол 67
Родотип 27
Самоокисление хлорофилла 189, 208
Самотушение 208
Свет, измерения 247—254
— интенсивность 142, 385, 412—416,
440, 452, 540, 571, 583
-----насыщающая 412
Световое насыщение фотосинтеза 463,
465, 481
-------кривые 438, 517
Световой компенсационный пункт 315
— фон 542
— эффект 536
Световые кривые флуоресценции 465,
474, 480—512
-------влияние СО2 484
-----фотосинтеза 385-480, 502, 533,
552, 570, 600
------- влияние неравномерности
светового поглощения 436—442
-------монохроматические 599—610
Сенсибилизированная флуоресценция
223, 232
Сине-фиолетовые полосы хлорофилла
112
Скорость фотосинтеза 245, 285, 290,
300, 303, 309, 317, 324, 326, 351 360
385, 413, 422, 423, 430, 431, 437, 444’
450, 462, 478, 482, 623, 628
Спектральная чувствительность 249
Спектральные свойства растений 95—
126
Спектр действия у пурпурных бакте-
рий 632
-----фотосинтеза 580, 582, 583, 585,
591, 596, 599, 604, 626
--------У бурых водорослей 610
--------У красных водорослей 622
--------У синих водорослей 622
Спектрофотометр Харди 618
Спектрофотометрический анализ хло-
рофиллов 13
Спектр поглощения алломеризован-
ного хлорофилла 19, 20
----- бактериовиридина 25
-----бактериофеофитииа 39
-----бактериохлорофилла 21, 23
--------влияние растворители 44
--------влияние среды 43
----- изохлорофиллов d и d' 22
-----каротиноидов 64—73, 617
-----коллоидного и адсорбирован-
ного хлорофилла 57
-----метилфеофорбида 33, 35
----- перидинола 65
----пигментов in vitro 9—76
-----порфина 26—28
----протохлорофилла 21, 26
-----тетрафенилпорфиновых изоме-
ров 30
-----фетилфеофорбида 33
-----фикобилинов 73—76
-----фикоцианина 75
-----фикоэритрина 74
----- форбинов 35
-----фукоксантола 75
-----хлорина 34, 35
-----хлорофиллов а и	Ь	9,	10,	13,
20, 54, 55, 591, 676
-----хлорофиллов с и d 21,	22,	617
------- влияние среды 42
----------растворителя 44
-------инфракрасный 18, 19, 593
-------ультрафиолетовый 15, 17,593
— флуоресценции бактериохлорофил-
ла 221
----- фикоцианина 212
-----фикоэритрина 212
— — хлорофилла 12
-------и его производных 149, 178
Старение как фактор, тормозящий
фотосинтез 294
Структура хлорофилла 15
640
Предметный указатель
Схема сенсибилизации 207
— фотосинтеза 454, 456—462, 470
----- Франка — Герцфельда 345, 347,
348, 449
— флуоресценции 207
Таутомеризация хлорофилла 172, 181,
203, 204, 208
Темновые реакции 447, 464—473, 504,
505, 523
Теория Лондона 42
— «молекулярных орбиталей» 71
Теория хроматической адаптации во-
дорослей 631
Теория «четырехквантового механиз-
ма» фотосинтеза 524
Термодинамическое равновесие карбо-
ксилирования 359
Термофилы 408
Тетрагидропорфии 29
Тетрафенилпорфин 31
Тетрафенилхлорин 31
Тушение флуоресценции хлорофилла
171, 185, 188, 194, 499
Углекислотное торможение 317
— удобрение 317
Углекислотный компенсационный
пункт 314
Углекислотные кривые 304—314, 325,
334, 353—355, 447
----- уравнение 352
Ультрафиолетовый спектр хлорофил-
лов 15, 17, 593
Умбриофилы 408, 413, 415, 416, 422
Уравнение углекислотных кривых 352
— Штерна — Фольмера 454, 458
Устьица, их роль в фотосинтезе 327—
334
Факторы диффузии 339
Феофитии 11
Фетилфеофорбиды 12, 33
Фикобилин 19, 622, 627
Фикоцианин 76, 627
Фикоэритрин 76
Филлотип 27
Флавоны 92, 126, 594
Флавородин 67
Флуоресценция 149—238
— активация 188
— бактериохлорофилла 155, 156, 158
----влияние pH 375
— влияние восстановителей 363—373,
486—488
-----гидроксиламина 495
— влияние концентрации двуокиси
углерода 360—364
Флуоресценция, влияние концентра-
ции ингибиторов 373—376
-----наркотиков 236, 373, 495
-----pH 487, 495—499
----- уретанов 380
----фотосинтеза 233
-----цианида 492—495, 511
— выход 149, 159, 171, 173, 208, 211,
216, 223—225, 233, 361, 362, 370, 481,
483, 490, 501, 505, 508
----влияние концентрации 182
— длительность 149
— задержанная 166, 204, 205
— интенсивность 175—178, 370, 481,
500
----- влияние оводнения 370
—	— схема изменения 233
—	каротиноидов 210
—	квантовый выход 504, 593
— константа скорости 501_
— кривые флуоресценции 362, 491
— пигментов in vitro 149—238
-----in vivo 216—238, 360
— порфиринов 156
— протохлорофилла 155
— схема 207
— феофорбидов 156
— фикобилинов 210, 221, 227
— фикоэритринов 227
-----полосы флуоресценции 222
— хлорофилла in vitro 149, 181, 208
-----in vivo 151, 152, 155, 218, 220,
231, 503
------- — активация 178
-----влияние тепла и влажности
488, 489, 490, 511
-----интенсивность 176, 177
-----тушение 171, 185, 188, 194, 499
Форбины 35
—	спектр поглощения 35
------- влияние магния 35
Фосфоресценция 166
Фотометр 251
Фотоокисление 39, 316, 364, 386, 473,
586, 608
Фоторедукция 367, 368, 374, 634
Фотосинтез, выход 233, 240, 278, 317,
407, 420, 423—428, 433, 436, 438,
501, 504, 588
-----измерение при помощи изотоп-
ных индикаторов 264, 265
—	газообмен 293, 525, 527, 532, 536,
537
—	действие цианида 553
—	зависимость от концентрации СО2
306—315, 317, 323, 334, 411, 412,
416
Фотосинтез,-----карбоната 303
Предметный указатель
641
Фотосинтез, источники насыщения 270
— квантовый выход 250, 278, 442,
454, 473, 529, 531, 533, 557, 575, 576,
587, 602
— линейный участок кривой 405, 438
— обратные реакции 350, 467, 520
— половинное насыщение 463
— полуденная депрессия 285
— световое насыщение 463, 465, 481
— скорость абсолютная максимальная
416—420, 423, 602
----влияние наркотизации 376, 410,
446, 557
-------факторов концентрации
300—362
Фотосинтез, скорость, влияние ядов
376, 411
----кривые скорости 303—307, 444,
445
— спектр действия 580, 582, 583, 585,
591, 596, 599, 604, 626
— схема Франка—Герцфельда 345,
347, 348, 449
— торможение избытком СОа 319
— фотохимические процессы 39, 443,
444, 452, 464, 473, 480, 500, 501, 503,
517, 564, 597
—	цепные обратные реакции 464
—	энергетические соотношения 522,
523
Фотосинтетический коэффициент 521,
525
Фототаксис 90, 608, 633
Фотохемолюминесценция 206
Фотохимическая диссоциация 172, 592
Фотохимические свойства хлорофилла
162
Фотохимическое восстановление СОз
404
----- влияние pH 373, 374
Франка—Кондона принцип 154
Фукоксантол 17, 19, 66, 610
Хлореллин 296, 577
Хлорины 27, 28, 31, 35
Хлорофилл 9—21, 36—64, 104—113,
128—130, 149—163, 173—207, 229—
238
Хлорофилл, алломернзация 20
— алломернзованный, спектр погло-
щения 19, 20
— время жизни возбужденного со-
стояния 40, 41, 159, 228
— относительные коэффициенты по-
глощения 52, 53
— отражение света 58, 60
— поглощение света 9—21, 36—64,
104—113, 128—130
— послесвечение 202, 205
— самоокисление 189, 208
— спектр поглощения 9, 10, 13, 20—
22, 54, 55, 591, 617, 676
---- — влияние растворителя 44
--------среды 42
-------сине-фиолетовые полосы 112
----флуоресценции 12, 149, 178
—	спектрофотометрический анализ 13
—	структура 15
—	таутомеризация 172, 181, 203, 204,
208
— флуоресценция in vitro 149, 181,
208
----in vivo 151, 152, 155, 218, 220,
231, 503
----тушение 171, 185, 188, 194, 499
— фотохимические свойства 162
— энолнзация 174
Хлорофуцин 21, 22
Хроматическая адаптация 422, 629
Цепные обратные реакции при фото-
синтезе 464
Цианид, действие на флуоресценцию
492—495, 511
----на фотосинтез 553
Цианобилин 73
Электронная таутомеризация 204
Энолизация хлорофилла 174
Эпистрофня 88, 89
Эритробилин 73
Этилхлорофиллид 19
Этиопорфирин 14
Этиотип 27
41 Зак. 4040. Е. Рабинович
УКАЗАТЕЛЬ АВТОРОВ
Арнольд (Arnold W.) 167, 211, 224,
228, 264, 356, 431, 560, 561, 594
Ашкинас (Aschkinass Е.) 142, 143
Ауэрбахер (Auerbacher F.) 13, 16
Ауфдемгартен (Aufdemgarten А.) 263
Аскенази (Askenasy Е.) 216
Алмази (Almasy F.) 13
Альберс (Albers V. М.) 14, 96, 104,
108, 152, 156, 159, 174, 185
Ангелыптейн (Angelstein U.) 301, 302
Аренс (Arens К.) 301, 302
Арнов (Arnoff S.) 31
Арнольд (Arnold А.) 291
Базырина Е. Н. 284, 288, 317, 318,
324, 332, 411, 429
Баас-Бекинг (Baas-Becking L. G. М.)
44, 57, 104
Баац (Baatz I.) 620, 622
Баллард (Ballard L. А. Т.) 319
Баркер (Barker Н. А.) 320
Баркрофт (Barcroft) 255
Барр (Burr G. О.) 314, 315, 411
Бауле (Baule В.) 273
Баумейстер (Baumeister W.) 190
Бейеринк (Beijerinck М. W.) 254
Бём (Bohm J. А.) 88
Бёнинг (Bohning R. М.) 289, 293, 415
Бергамаши (Bergamaschl М.) 326
Бёрк (Burk D.) 316, 355, 356, 358, 452,
479, 539—542, 544, 545, 550, 555, 570,
571, 575
Бернс (Burns G. R.) 593, 594, 604, 606
Бертольд (Berthold С.) 422
Бигельэйзен (Bigeleisen J.) 32
Билл (Beall R.) 327
Бирмахер (Biermacher О.) 12, 150, 152,
153, 219	.
Благовещенский А. В. 429, 430, 433
Блинке (Blinks L. R.) 227, 261, 585,
593—595, 597, 615, 622, 625, 627, 628
Блэкман (Blackman F. F.) 269, 270,
273, 277, 309, 319, 320, 327, 385, 386,
ККЧ R9O
Боде’(Bode Н. R.) 305
Бозе (Bose J. Ch.) 272, 432, 433
Бойсен-Йенсен (Boysen-Jensen Р.) 290,
413 429 435
Болдуин (Baldwin W. С. G.) 47, 219
Болл (Ball R. Н.) 31
Браун (Brown А. Н.) 330, 333, 555
Браун (Brown Н. Т.) 86, 253, 254, 309,
320, 329, 432, 433
Браун (Brown W. Н.) 271, 386
Бриггс (Briggs С. Е.) 556, 588
Бриллиант В. А. 286
Брин Г. П. 40, 57, 76
Бринкман (Brinkmann R.) 323
Брэкет (Brackett F. S.) 292, 358, 359,
472, 479
Брюстер (Brewster D.) 149
Будер (Buder J.) 221
Бур (Buhr Н.) 289
Бэкер (Bakker Н. А.) 186
Бэлл Л. Н. 90
Бэрр (Barr А. С.) 247
Вавилов С. И. 167, 188
Вакки (Wakkie J. G.) 48, 57, 58, 186
Вальд (Wald G.) 67
Ван-Гулик (Van Gulik) 16
Ван-дер-Внн (Van der Veen R.) 407,
554, 556
Ван-дер-Паув (Van der Paauw F.)
284, 316, 320, 355, 416, 422
Ван-дер-Хонерт (Van der Honert T. H.)
272, 311, 320
Ван-Норман (Van Norman R. N.) 74,
222, 227
Ван-Риссельберг (Van Rysselberghe
P.) 360
Варбург (Warburg O.) 84, 130, 242,
244, 250, 253, 254, 258, 259, 292, 316,
317, 322—324, 355, 358, 376, 381, 443,
445, 450, 517, 518, 521, 522, 524, 525,
532—537, 539—545, 550, 555—557,
563, 570, 571, 574, 575, 584, 587, 588,
595, 629
Васильев Г. 429
Указатель авторов
643
Вассинк (Wassink Е. С.) 21, 25, 44,
49, 56, 59, 62, 63, 67, 74, 96, 105,
109, 110, 112, 114, 150, 155, 156, 187,
219, 223—225, 227, 231, 232, 237,
275, 295, 320, 322, 361—363, 365—
369, 371—373, 375, 376, 378—382,
386, 407, 438, 445, 447, 481, 483, 485,
488, 489, 492, 494, 495, 499, 508, 510,
511, 524, 525, 530, 531, 563—566,571,
615, 618, 633
Ватсон (Watson W. F.) 51, 155, 175,
178
Вебер (Weber) 434
Вейгерт (Weigert F.) 84, 254
Вейль-Малерб (Weil-Malherbe Н.)
182—184, 189, 201, 209
Вейс (Weis F.) 413
Вейсс (Weiss J.) 182, 184, 189, 190,
201, 209
Вейссвейлер (Weissweiler А.) 60, 91,
92, 95, 105, 116, 126, 419
Вейсхаупт (Weishaupt С. G.) 331
Вендерлейн (Wenderlein Н.) 27
Вердуии (Verduin J.) 319, 331
Вермейлен (Vermeulen D.) 25, 96, 150,
155, 156, 219, 223, 225, 481, 488, 492,
495, 499, 524, 633
Видеман (Wiedemann Е.) 13, 16, 187
Визнер (Wiesner J.) 139
Вильмот (Wilmott A. J.) 301
Вильшке (Wilschke А.) 149, 155
Вильштеттер (Willstatter R.) 16, 57,
84, 90, 185, 210, 254, 291, 293, 418—
420, 432, 443, 463, 575, 605, 606,
610, 629
Винтерштейн (Winterstein А.) 13
Вита (Vita N.) 56
Войновская К- К- 23, 26, 40, 59
Волков А. 385
Вольф (Wolf М.) 558
Вотчал Е. Ф. 287
Вуд (Wood R. W.) 172, 429
Вюрмзер (Wurmser R.) 86, 121, 125,
253, 556, 588, 605, 630
Габриэльсен (Gabrielsen Е, К.) 314,
316, 413, 529, 551, 556, 557, 584,
588, 593, 599, 602, 604, 607, 620,
622
Гаврилова В. А. 55, 56, 76, 181, 199
Гагенбах (Hagenbach А.) 13, 16, 43,
104, 216
Гаксо (Нахо F. Т.) 227, 593—595, 597,
615, 622, 625, 627, 628
Гаррис (Harris D. G.) 12, 16, 44, 50,
150, 153, 156, 173, 179
Гаффрон (Gaffron Н.) 190, 209, 236,
242, 259, 450, 532
41*
Гейгер (Geiger М.) 288
Гейдельбергер (Heidelberger С.) 265
Генрнчи (Henrici М.) 429
Герланд (Gerland Е.) 44, 104
Герличка (Herlitzka А.) 78
Герцфельд (Herzfeld К. F.) 157, 335,
347—349, 363, 372, 452, 468, 472,
522 578 597
Гесснер (Gessner F.) 255, 289, 290,
292, 321, 419, 422, 431
Гирш (Hirsch А.) 189, 200, 205, 492,
' 495, 498
Голстон (Galston) 608
Гош (Ghosh J. С.) 479
Гречихина О. 290
Грин (Green L.) 244, 305, 311, 320,
323, 324, 355, 358, 4Г9, 479
Гринфильд (Greenfield S. S.) 376
Губерт (Hubert В.) 57, 59, 230
Гувер (Hoover W. Н.) 292, 320, 356,
358, 593, 599, 604
Гуникар (Gunjikar L. К.) 586
Гуттенберг (Guttenberg Н.) 289
Давидсгофер (Davidshofer F.) 499
Дам (Dahm Р.) 305, 314
Даниельс (Daniels F.) 242, 260, 557,
558, 560
Данилов А. Н. 608, 609
Дастур (Dastur R. Н.) 586, 609
Де Брюйн (de Bruijn Н.) 189
Де Витт (de Witt Т. W.) 560, 562
Дейзенс (Duysens L. N. М.) 201, 217,
220, 222, 226, 227, 228, 628, 634
Деккер (Decker J. Р.) 415
Дере (Dhere С.) 149, 150, 155, 158,
210, 211, 217—219, 221
Демусси (Demoussy Е.) 318
Детлефсон (Detlefson Е.) 89, 90, 252
Джеймс (James W. О.) 301, 320, 355
Джонсои (Johnson N. G.) 143, 593
Джонстон (Johnston Е. S.) 293, 318,
358
Джюдей (Juday С.) 422, 423, 558
Дингл (Dingle Н.) 262
Дораф (Dorough G. D.) 156, 207
Доркас (Dorcas М. J.) 301
Доррештейн (Dorrestein R.) 96, 109,
110, 112, 187, 224, 231, 275, 277,
362, 363, 367—369, 371, 372, 374, 376,
379, 380, 386, 438, 483, 485, 492, 494,
495, 499, 563, 564—566
Дорсей (Dorsey N. Е.) 142
Драутц (Drautz R.) 286, 287
Дрэпер (Draper J, W.) 580, 583
Дэггар (Duggar В. М.) 160, 225, 226.
260, 557—559, 571, 615, 619
Дэнтли (Duntley S. С.) 121
644
Указатель авторов
Дэттон (Dutton Н. J.) 134, 160, 225,
226, 531, 585, 609—615, 619
Дюкло (Ducleaux J.) 630
Евстигнеев В. В. 50, 55, 56, 181, 193,
196, 199, 200
Ермолаева И. 290
Жаккар (Jaccard Р.) 291
Загромскнй (Sagromsky Н.) 620, 622
Зейбольд (Seybold А.) 25, 26, 59, 60,’
84, 86, 87, 90—92, 95, 105, 114, 116,
126, 129, 131, 133, 139, 141, 145, 152,
154, 186, 187, 229, 230, 252, 253, 329,
330, 408, 419, 595
Знммлер (Simmler R. Т.) 216, 252
Зирп (Sierp Н.) 329, 330
Зюссенгут (Suessenguth К.) 327
Ивановский Д. И. 57, 59
Ингенхуз (Ingen-Housz J.) 326
Кальвин (Calvin М.) 31, 156, 204, 265,
521, 553, 556
Кальман (Kaliman) 167, 207
Камен (Kamen М.) 265
Кантикар (Kantikar U. К-) 609
Кардо-Сысоева Н. 429
Карр (Carr) 96, 103
Каррер (Karrer Р.) 65, 67
Каруш (Karush F.) 32
Кастл (Gastie Е. S.) 608
Катсуран (Katsurai Т.) 75
Катунский В. М. 318
Катц (Katz Е.) 25, 44, 49, 56, 59, 62,
63, 69, 105, 109, ПО, 112, 187, 224,
231, 232, 237, 275, 277, 295,
362, 363, 367—369, 371, 372, 374,
376, 379, 380, 386, 438, 481, 483,
485, 488, 492, 494, 495, 499, 511, 524,
563—566
Каутский (Kautsky Н.) 189, 190, 196,
200, 202, 205, 231—233, 261, 488,
492 495 499
Каша (Kasha М.) 173, 190, 202, 204,
207
Кё (Сое М. R.) 200
Кемпферт (Kaempfert W.) 89, 124, 275
Кепплер (Keppler Е.) 318
Керр (Kerr G. А.) 141
Керстен (Kersten J. А. Н.) 21, 67, 114,
223, 227, 361, 376, 380, 381, 482, 489,
494, 510, 531, 615, 618
Ки (Ke, Chun-Lin) 193, 195—198
Кнселинг (Kiessling N.) 26
Клейн (Klein G.) 210, 318
Книп (Kniep Н.) 255, 419, 584
Кнорр (Knorr Н. V.) 96, 104, 108, 152,
156 159 174
Коблентц (Coblentz W. W.) 16
Кок (Кок В.) 407, 531, 550—554, 556,
571
Коль (Kohl F. G.) 584
Кольтгоф (Kolthoff I. М.) 261
Комар (Comar С. L.) 9, 12, 13
Комор (Komor J.) 433—435
Конент (Conant) 20
Конннг (Koning Н. С.) 44, 57
Копп (Корр С.) 420
Корвин (Corwin А. Н.) 14
Коски (Koski V.) 26, 484
Кособуцкая Л. М. 59, 106, 113
Костычев С. П. 284—288, 290, 317,
324, 332, 429, 430
Крамер (Kramer Р. J.) 415
Красннскнй Н. П. 318
Красновский А. А. 23, 26, 40, 50, 55—
47 ВО 7К 1ПП 114 1Я1 1ОЧ 1QK
199
Красносельская-Максимова Т. Н. 290
Кренслер (Kreusler U.) 309, 320
Кубовиц (Kubowitz) 533
Кудрявцева М. 288
Кузин А. М. 327
Куильман (Kuilman L. W.) 607
Кук (Cook W. R. I.) 319
Кулленберг (Kullenberg В.) 143
Кумар (Kumar К ) 320, 385, 413
Кун (Kuhn Н.) 27
Кундт (Kundt А.) 42, 44
Купревич В. Ф. 327
Курсанов А. Л. 289, 327, 429
Куртис (Curtis J. Т.) 422, 423
Кюстер (Kuster Е.) 242
Лазарев П. П. 93, 252
Лайнвнвер (Lineweaver Н.) 355, 356,
358, 479
Лал (Lal К. N.) 273, 320
Ланская Л. А. 436
Леви (Levi Н.) 173, 189, 191, 209, 262
Лёви (Loewy А.) 290
Левковнч (Lewkowitsch Е.) 16
Леврннг (Levring Т.) 143, 145, 593,
631
Лемберг (Lemberg R.) 73—75, 211
Либих (Liebig J.) 269, 273, 281, 326
Ливингстон (Livingston R.) 20, 21,
45, 51, 56, 155, 156, 160, 161, 163,
168, 172, 173, 175, 178—182, 184,
185, 187, 191, 193, 195—198, 200,
207, 327, 592, 595
Линзер (Linser Н.) 210
Линсбауэр (Linsbauer К.) 253
Липман (Lipmann F.) 357, 55J
Указатель авторов
645
Ломмель (Lommel Е.) 216, 581
Лондон (London) 167, 171
Лумис (Loomis W.) 87, 90, 96, 107,
319
Лундберг (Lundberg W. О.) 200
Лундегорд (Lundegardh Р.) 273, 284,
318
Лэд (Lad D. Т.) 261, 387
Любименко В. Н. 107—109, 113, 385,
415, 610
Лютгенс (Liittgens W.) 376
Льюис (Lewis G. N.) 32, 113, 115, 126,
131,	137,	138,	160,	173,	190,	202,
204,	207,	245,	408,	519,	521,	525,
527—529,	532,	538,	544,	550,	556,
572,	573,	585,	588,	590—598,	605,
608, 613, 619, 622, 625, 627
Маги (Magee J. L.) 560, 562
Майерс (Myers J.) 231, 242—245,
361, 481, 484, 499
Мак-Алистер (McAlister Е. D.) 231,
262, 361, 481, 484, 498, 510
Мак-Ардл (McArdle J.) 51, 155, 175,
178
Макдоуэлл (Macdowall F. D. Н.) 20,
222, 227
Макенн (Maguenne L.) 252
Маккинней (Mackinney G.) 9, 12, 13,
44, 49
Мак-Клюр (McClure D. S.) 204, 207
Мак-Лин (McLean F. Т.) 287
Максимов Н. А. 290
Мантен (Manten А.) 633, 634
Маргарин (Margaria R.) 323
Маскелл (Maskell Е. J.) 274, 288, 332
Матеи (Matthaei G. L. G.) 385, 633
Мейер (Meier F. Е.) 594
Мейер (Meyer К. Р.) 12, 57, 58, 124,
186, 253
Мекке (Mecke R.) 97, 219
Менке (Menke W.) 114
Мёнх (Monch J.) 429, 430, 433
Местр (Mestre Н.) 250, 253
Мета (Mehta R. J.) 609
Метцнер (Metzner Р.) 25, 229
Миллер (Miller Е. S.) 314, 315, 411
Миндер (Minder F.) 255, 584 ’
Митчелл (Mitchell J. W.) 290, 293
Митчерлих (Mitscherlich Е. А.) 273
Моисеева В. 288
Мойер (Moyer L. S.) 187
Мольвиг (Molvig Н.) 157
Монфорт (Monfort С.) 129, 133, 134,
145, 289, 415, 423, 585, 601, 605,
606, 609—611, 619—622, 630
Моррисон (Morrison Т. F.) 255
Мотес (Mothes К.) 620, 622
Моша (Maucha R.) 423
Мур (Moore W. Е.) 559, 571
Мюллер (Muller D.) 290, 423, 429
Мюллер (Muller N. J. С.) 581
Мэлликен (Mulliken R. S.) 71—73
Мэннинг (Manning W. М.) 14, 21, 65,
129, 134, 155, 160, 217, 225, 226,
242, 531, 557, 558, 585, 609—615,
619
Натансон (Nathansohn А.) 301
Негелейн (Negelein Е.) 130, 244, 253,
517, 518, 521, 522, 524, 525, 532,
533, 539, 556, 557, 563, 584, 587,
' 588, 595
Нейбауэр (Neubauer Н. F.) 289
Нейвонер (Neuwohner W.) 287, 289
Нейдел (Neydel К.) 289
Ничипорович А. А. 586
Нишимура (Nishimura М. S.) 538,544
Ноак (Noack К.) 26, 60, 187, 191, 316,
607
Ноддак (Noddack W.) 61, 86, 93,
123—126, 242, 245, 253, 291, 420,
433—435, 532, 593, 594, 596, 597
Ньювирт (Neuwirth R.) 189
Оверкотт (Overkott О.) 327
Ольтманс (Oilmans F.) 422, 629
Онето (Oneto J. F.) 295
Оппенгеймер (Oppenheimer J. R.) 167,
211, 224, 228
Орнштейн (Ornstein) 231
Opp (Orr А. Р.) 423
Остергаут (Osterhout W. J. V.) 254,
301
Остерлинд (Osterlind S.) 305, 315,
319
Очоа (Ochoa S.) 357, 553
Падоа (Padoa М.) 56
Пак (Puck Т. Т.) 361, 482, 484, 488,
492, 495
Пантанелли (Pantanelli Е.) 309, 385
Паулинг (Pauling L.) 71
Перрен (Perrin J.) 162, 167
Петеринг (Petering Н. G.) 260, 558
Петцольд (Paetzold I.) 290
Пирсолл (Pearsall W. Н.) 242
Платт (Platt J. R.) 27
Плетцер (Plaetzer) 410
Покровский Г. И. 87, 102
Полинг (Pauling L.) 260
Поллак (Pollack J.) 261
Портгейм (Portheim L.) 60
Прайс (Pryce A. W.) 262
Пратт (Pratt J.) 295
646
Указатель авторов
Пратт (Pratt R.) 244, 291, 294, 295,
297 304
Принс (Prins J. А.) 36, 40, 156,
160—162
Принсгейм (Pringsheim Е. G.) 242,
255, 261, 387, 580, 581
Прюкнер (Pruckner F.) 29, 32, 35, 48,
50
Пуриевич (Purjewitsch К-) 86, 90,
432_____434
Пфеффер (Pfeffer W.) 580
Пюттер (Putter А.) 434, 435
Рабидо (Rabindeau G. S.) 61, 86, 124,
528 567_____569
Рабинович (Rabinowitch Е.) 31, з£,
37, 171, 184, 537, 569, 597
Равич- М. Б. 318
Рао (Rao М. S.) 609
Рафтон (Roughton F. J. W.) 323
Раффи (Raffy А.) 158, 211, 217, 218
Рейнау (Reinau Е.) 318
Рейнке (Reinke J.) 86, 92, 216, 253,
385, 412, 581
Рейсс (Reuss Н.) 318
Рем (Rehm S.) 290
Реман (Reman G. Н.) 25, 96, 150,
155, 156, 219, 223, 224, 481, 488, 492,
495, 499, 524, 633
Рендол (Randall Н. М.) 96, 103
Реннер (Renner О.) 333
Рике (Rieke F. F.) 258, 524, 525, 527,
529, 532, 533, 552, 556, 567
Рилей (Riley G. А.) 436
Риппел (Rippel А.) 318
Рихтер А. А. 318
Рихтер (von Richter А.) 584, 629, 630
Роговский (Rogowski W.) 210
Роллефсон 197
Ромелл (Romell L. G.) 274, 292, 301,
333, 334
Росс (Ross Р. А.) 104
Ротемунд (Rothemund Р.) 159
Рубен (Ruben) 357, 358
Рудольф (Rudolph Н.) 26
Руттнер (Ruttner F.) 304, 305, 315,
323, 422
Сакс (Sachs J.) 86, 252, 255, 269, 580
Самант (Samant К. М.) 609
Сапожников Д. И. 566
Саржент (Sargent М. С.) 629
Саундерсон (Saunderson J. L.) 121
Сведберг (Svedberg Т.) 75
Свини (Sweeney В. М.) 304
Сен (Sen Р.) 607
Сенебье (Senebier J.) 309, 326
Сенн (Senn G.) 89
Сивков С. Н. 436
Симпсон (Simpson W. Т.) 27
Синг (Singh В. N.) 273, 320, 385,
413
Скарс (Scarth G. W.) 262, 290
Скау (Skow R. К ) 261
Смирнова М. 288
Смит (Smith А. М.) 309, 320, 356, 385,
413
Смит (Smith Е. L.) 60, 124, 125, 186,
187, 320, 358, 359, 477, 479, 560
Смит (Smith J. Н. С.) 26
Сойер (Sawyer W. R.) 142, 143
Содей (Thoday D.) 287
Солдатенков С. В. 289
Соломон (Solomon S.) 609
Соссюр (de Saussure Т.) 319
Спёр (Spoehr Н. А.) 255, 296, 297,
435
Спон (Spohn Н.) 488
Стййр {S'tciir j 16
Стиман-Нильсен (Steemann-Nielsen
Е.) 292, 302, 304, 305, 320, 473, 620,
622
Стокс (Stokes G. G.) 149, 211, 216,
217
Столфельт (Stalfelt М.) 288, 327, 332
Стрейн (Strain Н. Н.) 14, 21, 65, 129,
155, 210, 217, 611, 614
Стюарт (Stewart А.) 152, 159
Сэрджент (Sargent М. С.) 243
Танада (Tanada Т.) 21, 117, 136, 531,
595, 615, 616, 618
Татл (Tuttle L. С.) 357
Теренин А. Н. 154, 166, 202
Тимирязев К- А. 93, 104, 580, 581
Тольберт (Tolbert В. М.) 265
Томас (Thomas М. D.) 314, 318, 633
Томпсон (Thompson N. L.) 319
Тоннелат (Tonnelat J.) 264, 561—563
Требу (Treboux О.) 309
Тсенг (Tseng С. К.) 304
Тэйлор (Taylor А. Н.) 141
Уайт (White Н. L.) 318
Уиттингэм (Whittingham С. Р.) 325,
355 541
Уршпрунг (Ursprung А.) 90, 139, 593,
599, 609
Уэллер (Weller S.) 378, 445
Фёркель (Voerkel S. Н.) 608
Фёрстер (Forster Т.) 167, 168, 185,
188
Фильцер (Filzer Р.) 287
Фирордт (Vierordt К.) 252
Фишер (Fischer Н.) 20, 34, 50, 199
Указатель авторов
647
Фишман (Fischman) 187
Флеш (Flesch W.) 189, 200, 205
Фонтэн (Fontaine М.) 155, 211, 217,
222
Франк (Franck J.) 157, 168, 172, 173,
189, 191,	198,	200,	209,	231,	232,
236—238,	242,	261,	289,	316,	335,
347—349,	361,	363,	364,	370,	372,
378, 387, 444—446, 450, 452, 465,
468, 472,	473,	482,	483,	488,	492,
495, 499, 500, 502—504, 508—512,
519, 522, 53£, 552, 554—556, 570,
575, 578, 597, 608
Фрей-Висслинг (Frey-Wyssling А.)
230
Френч (French С. S.) 38, 61, 63, 86,
96, 109, 113, 115, 124, 200, 211, 217,
219, 222, 227, 316, 361, 365, 366, 369,
386, 482, 484, 488, 492, 495, 528,
563—565, 567—569, 571, 608, 628,
632
Фриланд (Freeland О. R.) 327
Фуллер (Fuller Н. J.) 319
Харвей (Harvey Е. N.) 255
Харден (Hardin G.) 65
Хардер (Harder R.) 263, 273, 284, 286,
287, 291, 292, 318, 320, 355, 356, 358,
408, 410, 420, 423, 429
Хартел (Hartel О.) 327
Хаулз (Howies) 325
Хейерле (Heierle Е.) 13
Хейзе (Haise G. W.) 271, 386
Хендрикс (Hendricks R. Н.) 314
Хилл (Hill R.) 254
Хилл (Hill G. R.) 314, 318
Холдейн (Haldane) 255
Хольт (Holt A. S.) 61, 86, 124
Хоппе-Зейлер (Hoppe-Seyler F.) 254
Цехмейстер (Zechmeister L.) 210
Цшейле (Zscheiie F. Р.) 9, 11—13, 16,
44, 50, 150, 153, 156, 173, 179
Чепман (Chapman Е. Е.) 319
Чесноков В. А. 284, 288, 290, 317, 318,
324, 332, 411
Шандерль (Schanderl Н.) 89, 124, 275
Шереметьев Г. Д. 201
Шио (Shiau Y. С.) 482, 499, 500
Шмидт (Schmidt G.) 620, 621, 630
Шмюкер (SchmOcker Т.) 605
Шодер (Schoder А.) 287, 332
Шокен (Schocken V.) 250, 540
Шомер (Schomer Н. А.) 422
Шоу (Shaw М.) 262, 290
Шпольский Э. В. 201
Шпон (Spohn U.) 103
Шпрехер фон Бернег (Sprecher von
Bernegg А.) 13
Шрёдер 333
Штал (Stahl Е.) 89
Штауффер (Stauffer J. F.) 567
Штейн (Stein G.) 13
Штерн (Stern А.) 27, 29, 34, 35, 50,
157, 185, 186
Штокер (Stocker О.) 290, 423, 430
Штоль (Stoll А.) 16, 40, 57, 84, 90,
185, 187, 210, 254, 291, 293, 418—
420, 432, 443, 463, 575, 605, 607, 610,
629
Штраус (Strauss W.) 65
Шутов Д. А. 305, 315
Эгле (Egle К.) 25, 49, 50, 59, 96,
139, 152, 154, 186, 187, 229, 230
Эймере (Eymers J. G.) 367, 565, 566
Эйслер (Eisler М.) 60
Эйхгоф (Eichhoff Н. J.) 61, 86, 93,
123—126, 243, 244, 253, 291, 438, 532,
533, 593, 594, 596, 597, 601
Эмерсон (Emerson R.) 113, 115, 126,
131, 137, 138, 160, 242, 245, 258, 305,
311, 320, 323, 324, 355, 356, 358, 408,
419, 479, 519, 521, 525, 527—529, 532,
533, 535—538, 540, 544, 545, 549, 550,
555, 556, 570, 572, 574, 585, 587, 588,
590—598, 605, 608, 611, 613, 619, 620,
622, 625, 627
Энгельман (Engelmann Th. W.) 216,
254, 255, 422, 581, 584, 604, 606, 619,
622, 630, 632
Эпштейн (Epstein L. F.) 32, 171
Эрдман (Erdman J. G.) 14
Эрке (Ehrke G.) 423, 630
Эрмантраут (Ehrmantraut H. C.) 568,
569 595
Эскомб (Escombe F.) 86, 253, 254,
309, 320, 329, 330, 333, 432, 433
Юарт (Ewart A. J.) 385
Юкер (Jucker E.) 65
Яаг (Jaag O.) 291
Янкович (Yankbwich P. E.) 265
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию................................. 5
Часть третья
СПЕКТРОСКОПИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ
ПИГМЕНТОВ
Глава XXI. Спектры поглощения пигментов in vitro............... 9
Спектры поглощения хлорофилла и его производных........... 9
Спектры поглощения хлорофиллов а и b................... 9
Спектры поглощения хлорофиллов с и d, бактериохлоро-
филла и протохлорофилла ............................. 21
Связь между спектром поглощения и структурой молекулы
производных порфина.................................. 26
Некоторые теоретические замечания	о спектре хлорофилла	36
Влияние среды на спектры поглощения хлорофилла и бактерио-
хлорофилла ............................................. 42
Влияние растворителя на спектры поглощения хлорофилла
и бактериохлорофилла ................................ 44
Спектры поглощения коллоидного и адсорбированного хло-
рофилла ............................................  57
Спектры поглощения каротиноидов.......................... 64
Экспериментальные результаты.......................... 64
Теоретические соображения............................. 70
Спектры поглощения фикобилинов........................... 73
Литература .............................................. 76
Глава XXII. Поглощение света пигментами в живой клетке . .	81
Поглощение света растениями.............................. 82
Общие замечания...................................... 82
Среднее пропускание и отражение листьев и водорослей
в белом свете. Приспособление к интенсивности света и
движение хлоропластов................................ 86
Поглощение непластидных пигментов.................... 92
Спектральные свойства растений........................... 95
Экспериментальные данные ............................. 95
Максимумы полос хлорофилла и бактериохлорофилла в спек-
трах живых растений .......................... 104
Полосы поглощения сопутствующих пигментов в живых
клетках............................................. 113
Истинный спектр поглощения смеси пигментов в живой
клетке.............................................. 116
Распределение поглощенной энергии между пигментами ....	126
Эффект пространственного распределения пигментов
в клетке...................................... 126
Оглавление
649
Распределение поглощения в однородной смеси........... 127
Поглощение хлорофиллов а, Ь, с и d.................... 128
Поглощение каротиноидов у зеленых растений............ 130
Поглощение каротиноидов у бурых водорослей............ 132
Поглощение каротиноидов и фикобилинов у сине-зеленых
водорослей........................................... 137
Естественные световые поля............................ 139
Литература................................................ 145
Глава XXIII. Флуоресценция пигментов in vitro.................. 149
Флуоресценция хлорофилла in vitro......................... 149
Спектры флуоресценции хлорофилла и его производных
в растворе........................................... 149
Выход флуоресценции и время жизни возбужденных состоя-
ний хлорофилла....................................... 159
Факторы, ограничивающие	выход флуоресценции........... 163
Влияние растворителя на	выход	флуоресценции	хлорофилла 173
Влияние концентрации на выход флуоресценции. Самоту-
шение. Флуоресценция хлорофилла в коллоидах и адсор-
батах ............................................... 182
Тушение и активация флуоресценции хлорофилла приме-
сями ................................................ 188
Долго живущие активные состояния и послесвечение хлоро-
филла ............................................... 202
Схема флуоресценции и сенсибилизации.................. 207
Флуоресценция каротиноидов и фикобилинов in vitro........	210
Флуоресценция каротиноидов............................ 210
Флуоресценция фикобилинов ............................ 210
Литература .............................................   213
Глава XXIV. Флуоресценция пигментов in vivo.................... 216
Спектры флуоресценции растений........................ 217
Выход флуоресценции и сенсибилизированная флуоресцен-
ция in vivo.......................................... 223
Влияние тепла и влажности на флуоресценцию хлоро-
филла in vivo........................................ 229
Изменения флуоресценции хлорофилла, связанные с фото-
синтезом ............................................ 230
Литература ......................................•	. . . .	238
Часть четвертая
КИНЕТИКА ФОТОСИНТЕЗА
Введение................................................. 240
Глава XXV. Методы кинетических измерений................. 242
Объекты исследования............................. 242
Измерения света ................................. 247
Измерение выделения кислорода.................... 254
Измерение потребления двуокиси углерода ......... 262
Определение образующихся углеводов и превращения
энергии.......................................... 264
Применение изотопных индикаторов................. 264
Литература.......................................... 265
650
Оглавление
Глава XXVI. Внешние и внутренние факторы при фотосинтезе 268
«Кардинальные точки’ и «лимитирующие факторы” . . .	268
Фотосинтез как негомогенная реакция...................... 275
Некоторые общие кинетические соображения................. 277
Внутренние факторы и „физиологическая концепция” фото-
синтеза ................................................. 283
Скорость фотосинтеза при постоянных условиях. Полуден-
ная депрессия и явления адаптации..................... 285
Старение и самоторможение................................ 294
Литература.................................................  297
Глава XXVII. Факторы концентрации................................  300
Экспериментальные углекислотные кривые. Молекулы двуокиси
углерода и ионы углекислоты.................................. 300
Общий обзор углекислотных кривых фотосинтеза.........	309
Углекислотный компенсационный пункт...................... 314
Углекислотное удобрение и торможение..................... 317
Внешнее снабжение двуокисью углерода и влияние
истощения................................................ 320
Роль устьиц.............................................. 327
Интерпретация углекислотных кривых	фотосинтеза ....	334
Концентрация двуокиси углерода н флуоресценция.............. 360
Концентрация восстановителей................................ 365
Влияние на скорость восстановления двуокиси углерода
у бактерий............•.................................. 365
Влияние на выход флуоресценции..........................  370
Концентрация ингибиторов ................................... 373
Неорганические ноны.....................................  373
Яды и наркотики.......................................... 376
Литература.................................................. 382
Глава XXVIII. Световой, фактор. Интенсивность..................... 385
Световые кривые фотосинтеза................................. 385
Общий обзор . . •........................................ 386
Линейный участок кривой.................................. 405
Компенсационный пункт.................................... 407
Насыщающая интенсивность света........................... 412
Абсолютная максимальная скорость......................... 416
Максимальная скорость и средняя скорость фотосинтеза
в естественных условиях.................................. 423
Интерпретация световых кривых фотосинтеза................ 436
Световые кривые флуоресценции............................... 480
Связь между световыми кривыми фотосинтеза и флуоре-
сценции ................................................. 480
Влияние различных факторов на световые кривые флуоре-
сценции .....................'........................... 484
Интерпретация световых кривых флуоресценции.............. 500
Литература.................................................. 512
Глава XXIX. Световой фактор. Максимальный квантовый выход
фотосинтеза.............................................. 516
Измерение квантового выхода манометрическим методом 	518
Неманометрические	измерения	квантового	выхода . . . . .	556
Квантовый выход фоторедукции водорослей и бактерий 563
Оглавление
651
Квантовый выход выделения кислорода изолированными
хлоропластами......................................... 567
Максимальный квантовый выход в связи с общим видом
световой кривой ...................................... 570
Теоретический и действительный максимальный квантовый
выход................................................  576
Литература............................................... 578
Глава XXX. Световой фактор. Фотосинтез и качество света.
Роль сопровождающих пигментов.......................... 580
Спектр действия...................................... 580
Связь квантового выхода с длиной волны света у зеленых
растений. Роль каротиноидов......................... 587
Фотосинтез зеленых растений в ультрафиолетовой и инфра-
красной областях спектра ........................... 593
Монохроматические световые кривые и спектр действия
фотосинтеза на сильном свету........................ 599
Квантовый выход и спектр действия фотосинтеза у бурых
водорослей............................................ 610
Квантовый выход и спектр действия фотосинтеза у красных
и синих водорослей. Роль	фикобилинов................ 622
Спектр действия у пурпурных	бактерий................. 632
Литература............................................... 634
Предметный указатель..................................... 637
Указатель авторов........................................ 642
Редактор №.. Г. ЭН ДЕН
Техник, редактор В. И. Шаповалов
Корректор Я. -И. Милъчина
Сдано в производство 9/XII 1952 г.
Подписано к печати 10/Ш 1953 г.
А-02070. Бумага 60x92l/iS»20s6 бум. л-
41,2 печ. л., в т/ч 4 вкл. Уч.-издат. л. 44,8.
Изд. № 4/1651. Зак. № 4040.
Цена 33 р. 65 к.
4-я тип. им. Евг. Соколовой
Главполиграфиздата
при Совете Министров СССР.
Ленинград, Измайловский пр., 29.