Экологический этап в развитие учения о фотосинтезе. Водное происхождение кислорода фотосинтеза. Доказательства существования световой и темновой фаз фотосинтеза

Водное происхождение кислорода:Еще перед войной исследованием изотопного состава кисло рода разного происхождения занялись два советских ученых – А.П. Виноградов (впоследствии академик) и Р.В. Тейс. Они выяснили, что кислород морской воды легче кислорода воздуха, а тот в свою очередь легче кислорода углекислоты. В этой же работе впервые была установлена тождественность водного и фотосинтетического кислорода (по изотопному составу). Но на вопрос о трех лишних процентах ответа не было.К исследованиям, прерванным Великой Отечественной войной, Виноградов и Тейс вернулись лишь в 1946...1947 гг. и, казалось, сумели вскоре объяснить эффект Дола. Их расчеты и опыты показали, что легкий изотоп кислорода ¹⁶О вступает в реакции немного легче, чем тяжелый, и потому атмосфера постепенно обогащается изотопом ¹⁸О. Трехпроцентный избыток соответствует точке равновесия. Главные создатели эффекта Дола – водоросли и микрофлора мирового океана, которые, кстати, регенерируют большую часть атмосферного кислорода.

Доказательства сущ-я двух фаз фотосинтеза: Уравнение ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая, не зависящая от света, — с восстановлением С02 до углевода:

Группа американских ученых, возглавляемая С. Рубеном и М. Каменом, одновременно проводила опыты с водорослями. В одной камере, куда помещались водоросли, вода содержала тяжелый изотоп кислорода (H2lsO), а кислород С02 не метился. Во второй камере, наоборот, использовался меченый С02 (С1802), а в состав воды входил обычный кислород. При освещении водорослей в этих камерах 1802 выделялся в значительно большем количестве, если метка была у кислорода воды.

Доказательства существования световой и темновой фаз фотосинтеза. Уравнение ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая, не зависящая от света, — с восстановлением С02 до углевода: Первую реакцию можно назвать световой, вторую — темновой.

Экспериментальные доказательства реального существования этих двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом, которые ставились следующим образом. Между источником света и растением помещали непрозрачный вращающийся диск с вырезанным сектором. Изменяя скорость вращения диска и величину вырезанного сектора, создавали различную длительность и соотношение светового и темнового периодов. Были использованы и другие способы импульсного освещения. Определялась интенсивность фотосинтеза листьев или суспензии клеток хлореллы. Опыты с мигающим светом, проведенные в России (А. А. Рихтер, 1914) и в США (Р. Эмерсон и У. Арнольд, 1932, 1941), показали, что максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается не при непрерывном, а при импульсном освещении (пересчет сделан на время освещения) и особенно в тех случаях, когда продолжительность темновых промежутков составляла 0,04 — 0,06 с (при 25 °С). Оптимальное время световой вспышки оказалось порядка 105 с. Большая эффективность импульсного света доказывает наличие темновых реакций в фотосинтезе, так как темновые (энзиматические) процессы осуществляются более медленно, чем фотохимические.

Другим доказательством существования темновой фазы фотосинтеза является величина его температурного коэффициента Q ю, показывающего, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 °С. Для химических, в том числе энзиматических процессов, Q10 составляет от 2 до 4, для фотохимических, не зависящих от температуры,— он близок к единице.

Хлорофиллы синтеза при 15 и 25 °С величина Ql0 равна 2,0-2,5. Следовательно, интенсивность фотосинтеза определяется скоростью его химических (темновых) реакций.

Окончательно вопрос о двухэтапности процесса фотосинтеза был решен американским физиологом и биохимиком растений Д. И. Арноном. В 1954 г. в его лаборатории было показано, что выделенные из листьев шпината хлоропласты под действием света способны восстанавливать NADP+ и фосфорили-ровать ADP: хлоропласты причем эти процессы осуществляются в тилакоидах хлоропластов.