Источник кислорода

Глядя на приведенное выше уравнение, химик сразу же задумается о том, к какому типу относится эта реакция, а ответить на этот вопрос нельзя, если не знать, из чего - из двуокиси углерода или воды - об­разуется выделяющийся кислород. Казалось бы, ответ ясен: из двуокиси углерода; в таком случае осталось бы только присоединить углерод к воде, и получился бы углевод. Но прямо ответить на этот вопрос удалось только после того, как в 40-е годы в биологических исследованиях начали применять.

Массовое число обычного изотопа кислорода рав­но 16, поэтому его обозначают lб0 (8 протонов, 8 нейтронов). А один из редких изотопов имеет мас­совое число 18 (18О). Это стабильный изотоп, но его можно обнаружить благодаря его несколько боль­шей массе. Для этого используют масс-спектро­метр - очень важный аналитический прибор, способ­ный улавливать разницу между массами отдельных атомов и молекул. В 1941 г. был поставлен экспери­мент, результаты которого можно выразить сле­дующим образом:

СО2 + Н218О -> [СН2О] + 18O2.

Так было установлено, что источником кислорода служит вода. Из уравнения видно, что из каждой молекулы воды выделяется один атом кислорода. В сбалансированном виде уравнение должно выгля­деть так:

Энергия света

СО2 + 2H218O ————> [СН2О] + 18О2 + Н2О.

Хлорофилл

Это самое точное итоговое уравнение фотосинте­за; к тому же из него дополнительно вытекает, что вода в процессе фотосинтеза не только исполь­зуется, но и образуется. Рассмотренный выше экспе­римент косвенно подтверждал полученные пример­но в это же время данные Ван-Нила о том, что фотосинтезирующие бактерии совсем не выделяют кислорода, хотя и используют СО2. Ван-Нил при­шел к выводу, что всем фотосинтезирующим орга­низмам необходим источник водорода; у растений это вода, причем выделяется кислород; а, например, у серобактерий это сероводород, и вместо кислорода выделяется сера:

Энергия света

CO2 + 2H2S ——————> [СН2О] + 2S + Н2О.

Хлорофилл

Это уравнение для серобактерий полностью анало­гично уравнению для растений.

Упомянутые эксперименты позволили глубже по­нять природу фотосинтеза. Они показали, что фото­синтез включает две стадии, первая из которых состоит в получении водорода. У растений водород получается путем расщепления воды на кислород и водород; для этого расщепления нужна энергия, которую и дает свет (отсюда и сам процесс стали называть фотолизом (греч. photos-свет, lysis-рас­щепление). Кислород выделяется как ненужный по­бочный продукт. Во второй стадии водород соеди­няется с СO2 и образуется углевод. Присоединение водорода - это один из примеров химической реак­ции, называемой восстановлением.

Тот факт, что фотосинтез является двухстадий­ным процессом, был впервые установлен в 20-е-30-е годы. Для первой стадии характерны так назы­ваемые световые реакции, для которых нужен свет. На второй стадии свет не нужен, и поэтому соот­ветствующие реакции, хотя они тоже происходят на свету, назвали темповыми реакциями. Сейчас выяс­нено, что это два отдельных набора реакций, кото­рые к тому же разделены и в пространстве: световые реакции происходят в мембранах хлоропластов, а темновые - в их строме.

Когда было установлено, что фотосинтез склады­вается из световых реакций и следующих за ними темновых реакций, к концу 50-х годов осталось только выяснить, что же это за реакции.