«вогневої повітря »(кисень) і виділяли« пов'язане повітря »(вуглекислоту). Інгенгуз і Сенебье примирили спостереження обох дослідників, визнавши за рослиною обидві функції газообміну. Інгенгуз писав у своїй роботі, опублікованій в 1779 р.:

«Коли сонце, що піднялося над обрієм, розбудить своїми променями заснув за ніч рослини, воно зробить їх здатними виконувати свою цілющу функцію -- виправляти повітря для тварин; в темряві ночі ця діяльність зовсім припиняється; вдень ж відбувається з тим великим пожвавленням, чим світліше день і ніж вигідніше розташовано рослина по відношенню до сонячних променів. Затінені високими будинками або іншими рослинами, вони не виправляють повітря, а, навпаки, виділяють шкідливий для дихання тварин повітря. До кінця дня вироблення очищеного повітря слабшає і при заході сонця зовсім припиняється ».

Перші точні дослідження процесу дихання у рослин належать Соссюру (1804). Він брав свіже листя і поміщав їх на ніч у посудину, наповнену повітрям. При цьому кисень повітря поглинався і виділявся вуглекислий газ. Якщо на наступний день листя знову виставлялися на сонячне світло, то вони виділяли майже таке ж кількість кисню, яке поглинули вночі. Свої дослідження Соссюр поширив і на незеление частини рослин: стебла деревних рослин, квітки, коріння, плоди, і довів, що дихання спостерігається також у клітинах цих органів. Він виявив, що при диханні втрата у вазі рослини дорівнює вазі виділеного вуглецю.

Соссюр звернув увагу і на те, що молоді, що ростуть частини рослини, наприклад нові пагони та розкриті квіти, дихають інтенсивніше і споживають кисню більше, ніж частини рослини, що припинили зростання. Особливо цікаві дані отримані Соссюра щодо дихання квіток і пов'язаного з ним підвищення температури.

До розкриття квіток початок поглинав порівняно малий обсяг кисню, перевершував об'єм качана не більш ніж у 8 разів, і залишався абсолютно холодним. Як тільки квіти починали розпускатися, обсяг поглинається кисню відразу зростав, перевершуючи обсяг качана в 30 і більше разів, і температура суцвіття підвищувалася. Досліджуючи нагрівання окремих частин суцвіття, Соссюр встановив, що тичинки нагрівалися сильніше інших частин квітки, що він пояснив їх більш інтенсивним диханням.

Залежність інтенсивності дихання насіння проса від вологості

Вплив температури на інтенсивність дихання насіння пшениці

Подальшими дослідженнями була встановлена залежність дихання від зовнішніх умов (освітлення, температури тощо). З'ясувалося, що інтенсивність дихання зростає майже прямо пропорційно температурі, але тільки до відомих меж (близько 40 ° С). При подальшому підвищенні температури газообмін залишається постійним до загибелі рослини від перегріву.

Вдалося встановити непряму залежність дихання рослин від освітлення, а також від стадії росту. Розвиток дихальних процесів у зростаючих частин виражається так званої великої кривий дихання рослин. Вона схожа з раніше відкритої фізіологами великий кривої зростання: рослина росте спочатку повільно, потім поступово швидкість росту збільшується, доходить до максимуму і так само поступово падає.

З часів Лавуазьє дихання організмів ототожнювалося з повільним горінням, причому його сутністю вважалося пряме окислення вуглеводів та жирів організму киснем вдихуваного повітря. Проте вже давно було помічено, що при диханні окислення органічних речовин проходить набагато повніше, ніж поза організмом при тій же температурі. Це давало віталісти надію на встановлення корінного розходження між процесами, що відбуваються в організмі і поза ним. У такому невизначеному положенні знаходився питання про хімізму дихання до середини XIX ст.

Переломний момент у вивченні дихання рослин пов'язаний з відкриттям того, що навіть у безкисневому середовищі рослини (а так само і тварини) продовжують виділяти вуглекислоту. Теоретичне тлумачення це явище вперше одержало в роботах Луї Пастера (1822-1895), який в 1872 р. звернув увагу ботаніків на його схожість зі спиртовим бродінням, звичайним у дріжджових грибків.

Пастер припустив, що деякі початкові етапи дихального процесу у вищих рослин і тварин подібні з процесом анаеробного дихання у мікроорганізмів. Свої припущення Пастер обгрунтовував даними, отриманими згаданими вище фізіологами: за відсутності кисню вищі рослини виділяли вуглекислоту, а в їх тканинах накопичувався спирт.

Ідеєю Пастера зацікавився Пфеффер (1878). Одностадійное окислення вуглеводу киснем повітря (С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О), що використовувалося до того для опису дихання, він розбив на два послідовних етапи:

1) С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2,

2) 2С2Н5ОН + 6О2 = 4СО2 + 6Н2О.

Перша стадія відповідала безкисневого диханню і представляла собою розпад цукру на спирт і вуглекислоту. Друга стадія, що вимагає кисню, полягала в окисленні спирту до вуглекислоти і води.

Приблизно через рік Вортман (1879) запропонував іншу схему. На його думку всю кількість вуглекислоти виділяється відразу в першій фазі бродіння:

3С6Н12О6 = 6С2Н5ОН + 6СО2, а на другій стадії утворилися молекули спирту приєднують молекули кисню повітря, що призводить до відновлення частини вихідного цукру і виділення води:

6С2Н5ОН + 6О2 = 2С6Н12О6 + 6Н2О.

Обидві теорії були простими, але завдяки їм широкі кола хіміків і фізіологів звернули увагу на процес бродіння. З цього часу процеси бродіння стають об'єктом пильного вивчення.

Під другій половині XIX ст. область вивчення процесів бродіння представляла собою арену боротьби різних шкіл. Школа Бертло, який відкрив фермент інвертазу, відстоювала точку зору, згідно з якою процеси бродіння обумовлені особливими речовинами - ферментами. Школа Пастера висувала теорію «ферментів-істот», тобто вважала мікроби активним початком процесів бродіння.

В 1883 японський хімік Іошіда встановив ферментативну природу окислення органічних речовин рослинного соку. Як відомо, японці свого часу досягли великої досконалості в кустарному виробництві чорних лакових виробів. Іошіда вирішив з'ясувати, як утворюється чорне речовина японського лаку з безбарвного соку лакового дерева. Виявилося, що цей процес, що складається в окисленні соку лакового дерева киснем повітря, відбувається тільки в присутності особливого ферменту.

Молодий японський хімік констатував тільки ферментний характер цього процесу. Французький хімік Бертран, більш детально досліджував цей процес. Він назвав фермент, відповідальний за окислення соку, лакказой (від слова лак) і, досліджуючи інші рослинні соки, прийшов до переконання, що лакказа є представником цілої групи окисних ферментів, дуже поширених у природі. Для них Бертран запропонував назву оксидази.

В 1897 р. на порозі XX ст., Відбулася подія, дозволила тривалий наукову дискусію про «ферменти-істот» і «ферменти-речовинах». Цього року хімік Бухнер блискуче довів, що спиртове бродіння - цей оплот віталістів -- залежить не від какойто особливою «життєвої сили» дріжджових грибків, а від речовини, яка Бухнеру вдалося виділити з дріжджів при розтиранні їх з піском. Ця речовина виявилося таким же розчинною ферментом-речовиною, як і раніше відомі ферменти. Бухнер назвав знайдений ним фермент, що викликає спиртове бродіння, зимази.

Природно, що такі великі відкриття в галузі вивчення ферментів, як відкриття зимази (відповідальної за спиртове бродіння в цукристих розчинах) і оксидаз (необхідних для окислення ряду рослинних соків), поставило перед ботаніками-дослідниками досить серйозне питання: чи не лежать подібні ферменти і в основі процесу дихання рослин, чи не є звичайне кисневе дихання рослин результатом дії ферментів, подібних оксидаза?

За вирішення цього питання взялися працював в Женеві російський хімік А.Н. Бах, швейцарський ботанік Шода і два російських ботаніка, що працювали в Петербурзі, професора В.І. Палладін і С.П. Костичев.

Бах як хімік розробляв, головним чином, питання тонких механізмів окислювальних процесів, що відбуваються при диханні. Шлях до пізнання хімізму дихання він бачив у вивченні так званого повільного горіння, або довільного окислення.

Бах вважав, що ці процеси протікають при звичайній температурі і не потребують в різкій активації кисню шляхом розщеплення його молекули на вільні атоми. Це твердження суперечило думку найбільших наукових авторитетів того часу, які стверджували, що при будь-якої реакції окислення в організмі відбувається повний розпад молекули кисню на два атоми.

Бах вказував, що розкладання молекули кисню на атоми вимагає занадто великих витрат енергії, які не спостерігаються у фізіологічних реакціях окислення. За думку Баха, у фізіологічних процесах з молекули кисню утворюється активна група, до якої розірвано лише один з двох зв'язків у молекулі, але атоми не утворюються.

здатне до повільного окислення речовина приєднує цю групу до себе. При цьому неминуче повинні утворитися перекису. Саме ця реакція первинного освіти перекисів в процесі повільного окислення і складає основний ядро теорії Баха. Перекису, як досить нестійкі і хімічно активні речовини, що можуть піддаватися подальших змін. Правильність своєї теорії Бах підтвердив на сотнях прикладів і фактів, як відомих до нього, так і отриманих ним самим експериментально.

Історія сучасного вчення про диханні рослин нерозривно пов'язана з ім'ям академіка В.І. Палладіна.

В роки першому петербурзького періоду роботи Палладін досліджував ферментативну природу дихального процесу. Палладін показав, що і анаеробна, і аеробна фази дихання забезпечуються специфічними ферментами, послідовно переробними продукти дихання. Підсумки робіт цього періоду викладені в монографії В.І. Палладіна «Подих як сума ферментативних процесів» (1907).

На цьому етапі дослідницької діяльності Палладін застосував оригінальну методику досліджень. Замерзаючи цільні органи рослин при температурі мінус 15-20 ° С, він показав, що навіть в заморожених, тобто вбитих, клітинах робота ферментів, а отже і дихальні процеси, що тривають, хоча і з відхиленням від норми. Тим самим Палладіна вдалося зірвати завісу таємничості з процесу дихання, який трактувався віталісти як специфічний життєвий акт, як один із важливих проявів горезвісної «життєвої сили».

Продовжуючи вивчення ферментів специфічних для реакцій окислення, Палладін задумався над обставиною, тоді ще не звернули на себе увагу західно-європейських фізіологів: окислювальна здатність відомих на той час ферментів (оксидаз і піроксідаз) була абсолютно недостатньою для реакцій прямого окислення їх основного субстрату - вуглеводів. Отже, крім оксидаз в клітинах рослин повинні міститися якісь інші речовини, які є посередниками у передачі кисню основному дихальному матеріалу.

Палладін звернув увагу на так звані хромоген клітинної плазми, які він вважав дихальними пігментами. Дихальні пігменти, на думку Палладіна, подібно гемоглобіну крові, є носіями кисню, сприймаючи його за сприяння ферментів (оксидаз) і переносячи далі до дихального матеріалу.

Основи своєї теорії дихальних пігментів Палладін виклав у одержала широку популярність на Заході статті з сенсаційною назвою «Кров рослин». Однак подальші дослідження, проведені вченим в останні роки життя, змусили його переглянути всю теорію дихального процесу.

Для пояснення нових фактів і спостережень Палладіна довелося свою теорію «поставити на голову ». Хромоген виявилися фактори не окисних, а, навпаки, відновних процесів. Публічно визнати неправильність своїх недавніх тверджень могла тільки людина, ставив наукову істину, вище самолюбства. Палладін знайшов у собі мужність зруйнувати будівлю наукової теорії, побудова якої забрало у нього понад 10 років життя.

Схема процесів дихання та бродіння у рослин

Ось що розповідає про це великому переломному моменті в розвитку вчення про подих рослин найближчий учень Палладіна професор С. Львов.

«Виходячи з тих міркувань, що дріжджі продовжують у присутності кисню вести розпад цукрів по бродильному руслу лише тому, що вони позбавлені окислювального апарату і, зокрема, дихальних хромогенних, Палладін запропонував мені використовувати соки, віджаті з рослин, багатих хромогенних (печериці, буряк і т. п.), і простежити, чи не викличе добавка їх до бродильної середовищі повороту процесу від бродіння до дихання.

Очікуваного ефекту не вийшло, але при виробництві дослідів впало в очі несподіване явище, що в період активного бродіння чорна та бура забарвлення від додаткових соків швидко світлішали, особливо в анаеробних умовах, тобто хромоген поводилися абсолютно аналогічно метиленової синьку. Інакше кажучи, хромоген є аж ніяк не переносниками кисню, подібно гемоглобіну, як думав раніше Палладін, а переносниками водню. Вони активізують не киснем повітря при допомоги оксидаз, а водень дихального субстрату за допомогою редуктази. Дихальний матеріал окислюється в першій стадії не в силу того, що він сприймає що доходить до нього активізований кисень, а в силу того, що від нього відщеплюється активізується за допомогою редуктази і дихальних хромогенних водень. Дихальні хромоген повинні бути перейменовані в водневі акцептори.

Всі ці такі звичні для нас тепер подання в той момент вперше отримали свого зародження. Я добре пам'ятаю, з яким хвилюванням придивлявся Палладін до кожному новому мого досвіду, очікуючи його результатів. Тривалі з ним бесіди, під час яких зароджувалися нові поняття, природно розширювали і мої горизонти і заповнювали душу тим науковим ентузіазмом, яким завжди горів Палладін.

Доповідь про цю роботу в науковому товаристві він запропонував зробити мені самому, вказуючи, що такий виступ дуже корисно для початківця наукового працівника, оскільки підготовка до доповіді спонукає мене ще глибше продумати всю проблему і активізує подальшу роботу ...

Я пам'ятаю період, коли Палладін, в відступ від своєї звичайної норми, став дещо рідше з'являтися в лабораторії. При зустрічах у бесідах він, особливо зосереджений і нервновозбужденний в цей час, кілька разів згадував при мені, що він удома, в спокійній обстановці, зайнятий обмірковуванням нової теорії дихання. Незабаром вона була остаточно оформлена і запропонована на суд і увагу товаришів по науці. Це і була та знаменита теорія дихання, коротко формулювати у вигляді двох рівнянь, яка зробила повний переворот у звичайному розумінні дихального процесу і тепер увійшла в основні керівництва з фізіології рослин ...

... Все її зміст в концентрованої формі відображене в наступних двох рівняннях:

I. С6Н12О6 + 12R + 6Н2О = 6СО2 + 12RН2,

II. 12RН2 + 12R + 12Н2O.

Основним рівнянням, що виражає собою принципову сутність дихального процесу, є першим. У цій першій фазі дихальний матеріал (глюкоза) вже повністю розпадається до своїх найпростіших елементів - СО2 і водню, але водень не виділяється у вільному стані, а захоплюється за допомогою редуктази (дегідраз) водневими акцепторами, без яких розпад глюкози взагалі не може мати місця. (Процес відбувається суто анаеробно.)

Кисень до цього основного акту дихання не має ніякого відношення. Весь СО2 -- анаеробного походження, і що буря з нею кисень запозичується не з зовнішньої атмосфери, а зсередини системи. Дихання для свого здійснення не потребує ні в кисні, ні в оксидаза. Основними ферментами в цій фазі дихання є дегідрази.

Кисень повітря втручається в акт дихання лише в другій фазі, але, принципово розмірковуючи, відіграє тут другорядну роль. Він повинен відновити активність водневих акцепторів, звільнивши їх від захопленого водню. Кисень окисляє НЕ вуглець дихального субстрату, а вже отщепленим від нього водень, перенесений на акцептори. Сам кисень виступає лише в ролі останнього заключного водневого акцептора ...

... Ця принципово нова точка зору на процес дихання, виражена Палладіним в настільки ясно виразною формі, не була ще при ньому досить широко обгрунтована експериментальними даними і стала значною мірою плодом наукової інтуїції автора, хоча в ній разом з тим ми повинні бачити як би підведення підсумків багаторічної роботи Палладіна над процесом дихання ...

Весь цей епізод з нашою роботою я розповів докладно для того, щоб історично, як безпосередній учасник цієї роботи, відзначити, що принципова перебудова основних поглядів Палладіна на роль дихальних хромогенних сталася у нього абсолютно незалежно від робіт Віланда. Навіть інші чисто хімічні роботи Віланда, в яких показана можливість окислення в відсутності кисню, за наявності водневих акцепторів, таких речовин, як СО і SO, стали відомі вже після виконання нашої роботи, а перехід Віланда до вивчення біологічних проблем відбувся і за часом пізніше ».

Одночасно з Палладіним проблемою дихання займалися в цілому ряді найбільших науково-дослідних інститутів і лабораторій Західної Європи. Найбільшу популярність придбали дві нові школи - Віланда і Варбурга.

Т. Віланд розвивав погляди на роль дегідраз і водневих акцепторів, цілком аналогічні поглядам Палладіна. Розбіжність їх теорій полягало в тому, що Віланд категорично заперечував яку б то не було роль оксидаз як специфічних активаторів кисню, вважаючи молекулярний кисень здатним самостійно віднімати водень від водневого акцептора. На думку ж Палладіна, водневі акцептори не можуть мимовільно звільнятися від водню, але вимагають для цієї участі оксидаз, які тому є обов'язковим фактором у реакції, вираженої в другому рівнянні Палладіна.

Противник Віланда, Варбург, вважав, що молекулярний кисень не може вступити в організмі в якій би то не було окислювальний процес, якщо в організмі відсутня система железоорганіческіх з'єднань, типовим представником яких він вважав гемінфермент. Варбург стверджував, що гемінфермент активує молекулярний кисень, тобто як би дає перший поштовх до початку окисних процесів, і без нього ніякої дихальний процес не може відбуватися. Далі, на думку Варбурга, окислювальний імпульс через проміжні ланки (геміновие з'єднання) доходить до дихального субстрату та окисляє його. Резюмуючи свої погляди, Варбург стверджував, що дихання здійснюється шляхом активації кисню, а аж ніяк не водню. Але ж Палладін якраз і говорив про ту саму необхідність активації молекулярного кисню, захищаючи перед Віланда роль оксидаз в процесі дихання.

Всі відмінність в основних посилках Варбурга і Палладіна полягає в тому, що перше, працюючи переважно з об'єктами тваринного походження, називав свій активатор молекулярного кисню гемінферментом, а Палладін, який працював з об'єктами рослинного походження, зберіг за цим активатором раніше встановилося в науці назву оксидази. Але по суті обидва говорили про одне і те ж, протестуючи проти непримиренної позиції Віланда, який заперечував необхідність ензиматичного активації молекулярного кисню.

Згідно поглядам більшості сучасних наукових авторитетів Заходу обидві теорії - і Віланда, і Варбурга - виявляються правильними, вони охоплюють різні фази одного і того ж надзвичайно складного процесу. Сучасна наука знаходить вирішення питання в синтезі обох теорій, називаючи сучасне вчення про внутрішній механізм дихальних процесів теорією Віланда-Варбурга.

Цикл Кребса:

1, 6 - система окислення і декарбоксилювання; 2 - цитрат-синтезу: кофермент А; 3, 4 - аконітат-гідратаза; 5 - ізоцітратдегідрогеназа; 7 -- сукцинатдегідрогеназа; 8 - фумарат-гідрогеназа; 9 - малатдегідрогеназа; 10 -- спонтанне перетворення; 11 - піруваткарбоксілаза

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://bio.1september.ru