Эврика! Открытие фотосинтеза

2024 Автор: Sherilyn Boyd | [email protected]. Последнее изменение: 2023-12-16 09:37

Первая популярная теория о растительной жизни была получена от одного из самых важных ученых в истории, древнегреческого философа Аристотеля. Он писал в четвертом веке до нашей эры, что растения получают питание, поглощая питательную почву через свои корни. Его работа была настолько влиятельной на западную мысль, что это была преобладающая теория роста растений в течение 2000 лет. Только в 1500-х годах, когда в Европе началась научная революция, люди начали, по крайней мере, пытаться применять рациональные мысли к великим вопросам дня. И жизнь растений, наконец, приобрела более пристальный взгляд.

Посадка семян

В начале 1600-х годов фламандский химик Ян Баптиста ван Гельмонт провел эксперимент, который, как он полагал, доказал бы теорию Аристотеля неправильно - почти кощунственную вещь в то время. Ван Хелмонт высушил большое количество почвы в духовке (чтобы вытащить всю воду из него, чтобы он мог взвесить только саму почву) и положил 200 фунтов (точно) в большой горшок. Затем он посадил саженную иву, которую он также тщательно взвесил, в горшок.

Он держал дерево в контролируемой среде, чтобы гарантировать, что у него нет питания из любых внешних источников. Он поливал его дистиллированной и чистой дождевой водой и поддерживал почву, поэтому никакие посторонние вещества не могли попасть в нее. Через пять лет он удалил дерево из горшка, пересушил почву и взвесил как почву, так и дерево. Результат: дерево получило 164 фунта, а почва весила почти то же самое, что и пять лет назад. Если бы теория Аристотеля была правдой, то почва была бы очень истощена.

Ван Гельмонт не только показал, что Аристотель ошибался, но и доказал свою собственную теорию: растения растут, всасывая воду через их корни и превращая эту воду в растительную ткань. Кроме того, теория ван Гельмонта была неправильной. Но неважно: кто-то ударил великого Аристотеля к обочине, и тем самым ввел совершенно новую эру ботаники.

Бонус: В 1630 году в другом эксперименте ван Гельмонт сжег 62 фунта древесного угля из дерева в закрытом контейнере. Потом он взвесил золу: весил всего один фунт. Где остальные 61 фунт ушли? Ван Гельмонт пришел к выводу, что часть древесного угля превратилась в «дикий дух» или «газ», слово, которое он придумал из греческого слова «хаос». И хотя он назвал его «древесным газом», ван-Гельмонт фактически обнаружил углекислый газ. И это открытие будет особенно полезно для ученых в будущем.

Время эфира

Новости путешествовали более чем медленно в те дни; потребовалось 50 лет, чтобы доказать, что теория Ван-Хелмонта о воде в растениях была введена в заблуждение, а еще через 50 лет после этого произошел следующий большой скачок в науке о растении.

В 1720-х годах британский физиолог Стивен Хейлз, который уже сделал себе имя в исследовании животных, начал экспериментировать с растениями. В одном из них Хейлз прикреплял длинные стеклянные трубки (1/4 дюйма в диаметре) к концам срезанных ветвей растений и измерял, как далеко может быть сдвинут зазор между трубами (было обнаружено, например, что виноградная лоза может подталкивать сок на высоту почти 25 футов). Но Хейлз заметил что-то еще во время своих экспериментов: пузыри часто появлялись в сапе, означая, что срезанные ветви излучали воздух, а также сок. Это, наряду с другими свидетельствами, накопленными им в годы экспериментов, побудило Хейлса поверить, что растения поглощали и изгоняли воздух - они действительно «дышали» по-своему. Идея не была впервые предложена, но это был первый раз, когда такой видный ученый предложил это. Другие ученые работали над теорией в течение следующих десятилетий, но с небольшим успехом.

Прошло еще 50 лет. Затем, в 1770-х годах, британский ученый Джозеф Пристли решил продолжить то, на что ушел Хейлз, и сделал одно из самых важных открытий в науке о ботанике.

Газовая атака

К этому времени стало известно, что зажженная свеча с наложенной на нее банкой вскоре исчезнет (из-за недостатка кислорода, хотя тогда это не было понято). Пристли расширил эксперимент и обнаружил, что мышь с наложенной на нее банкой вскоре потеряет сознание и, если ее оставить в банке слишком долго, умрет. Теория, объяснявшая это явление в то время, заключалась в том, что огонь, а дыхательная мышца как-то «загрязняла» воздух, делая его постепенно менее чистым.

Но гораздо важнее было следующее открытие Пристли. Если он положил живое растение под банку с зажженной свечой, свеча горела бы дольше, чем обычно. И если бы он поставил растение под банку с мышью, мышка выжила бы в четыре раза дольше, чем без растения. Это, как вы можете себе представить, было поразительным открытием.Не осознавая этого, Пристли обнаружил, что растения излучают кислород. (Хотя, на самом деле, кислород не был правильно идентифицирован до нескольких лет после экспериментов Пристли).

А вот и Солнце

Эксперименты Пристли доказали, что растения делали что-то для воздуха. Никто не знал, что, но это был огромный шаг вперед, и всего через несколько лет, в 1778 году, голландский врач Ян Ингенхуз повторил эксперименты Пристли, но на этот раз с добавленным и изобретательным элементом: он сохранил некоторые банки и растения в темноте, и подвергли других воздействию солнечного света. Через эти эксперименты Ингенхуз обнаружил, что свеча будет гореть дольше, и мышь будет восстановлена за счет установки в банке … только если растение подверглось воздействию прямых солнечных лучей. Это доказало, что растения что-то сделали для воздуха, но только с помощью солнца. Наука снова оказалась на голове.

Ingenhousz продолжил свой блестящий эксперимент, пытаясь примирить свои выводы с не столь блестящей теорией, которая существовала с середины 1600-х годов. То, что делали растения в его эксперименте, сказал он, очищал воздух примеси, известный как флогистон, который, предположительно, производился огнем и дыхательными существами, между прочим. (Теория флогистонов была предложена для объяснения процессов окисления, таких как огонь и ржавчина.) Итак, еще раз, супер умный (для своего дня) ученый ошибался. Французскому химику Антону Лавуазье, который ранее идентифицировал кислород, как элемент, чтобы опровергнуть теорию флогистона, доказывает, что то, что на самом деле делали растения, выбрасывало кислород в воздух.

Один из двух не плох

Прошло почти 2 тысячи лет с тех пор, как Аристотель сделал научную попытку понять растения, и почти 200 лет с тех пор, как Ян Баптиста ван Хелмонт развенчал Аристотеля и открыл новую эпоху ботаники. В этот момент последние шаги к пониманию хотя бы рудиментарной науки, лежащей в основе фотосинтеза, были не за горами. И с этого момента все стало двигаться довольно быстро.

Следующий большой вопрос, на который нужно ответить, заключался в том, что: если растения излучали кислород, откуда он исходил? На этот вопрос был дан ответ в 1782 году, когда швейцарский ботаник Жан Сенебьер, расширяясь на опытах Ингенхуша, впервые доказал, что растения поглощают углекислый газ из воздуха и разрушают его. Это, по его словам, было источником кислорода. (Неправильно, но это было действительно очень долго, прежде чем эта теория была опровергнута.) С положительной стороны, Сенебье также смог показать, что это были зеленые части растений, а не незеленые части, такие как цветы, который сделал это. Это была его роль.

Итак: растения поглощают углекислый газ, используют энергию солнца, чтобы разрушить его, превратить углерод в углекислый газ в растительную ткань и испустить кислород.

Эврика!

Последний действительно большой кусок в загадке фотосинтеза, наконец, прибыл в 1804 году, любезно предоставлен швейцарским химиком Николасом де Соссюром, который доказал, что углерод, получаемый из поглощенного углекислого газа, не может быть достаточным для учета роста растительных волокон. Нужно было что-то еще задействовать, и он предположил, что это вода (которую уже знали ботаники, поглощенные растениями через свои корни). Он также доказал, что растения зависят от поглощения азота из почвы. Он был прав по обоим пунктам.

Многовековые вопросы, эксперименты, неудачи и успехи, наконец, окупились, и основной процесс, с помощью которого растения получают питание и расти, наконец-то был понят. В последующие годы было много деталей (особенно открытие хлорофилла - вещество внутри растительных клеток, которое делает фактическое превращение солнечного света в энергию, и которое делает растения зелеными), но основной процесс, наконец, был обнаружен.