Валерий Чолаков
Нобеловите награди (46) (Учени и открития (1901–1982))

Фотосинтеза

В средата на 18 век учените откриха, че процесите на горене, окисление и дишане са свързани с изразходването на кислород от въздуха. Възникна тревожният въпрос няма ли един ден този живителен газ да се свърши. Това е може би един от първите случаи, когато научно откритие е предвещавало опасност за света. Впоследствие имаше и други такива ситуации, но за щастие всеки път се оказваше, че песимистичните прогнози са резултат на ограничени познания. Така излезе и в 70-те години на 18 век, след като Джозеф Пристли постави известните си експерименти върху фотосинтезата.

В своето научно съобщение от 1771 г. той обяви, че зелени растения, поставени на светлина, възстановяват въздуха, „развален“ от дишането на животни или от горенето. Пристли бе открил кръговрата на кислорода — неговото свързване във въглероден двуокис от животните и възстановяването му до свободен кислород от растенията. Човечеството можеше да си отдъхне спокойно.

В 1818 г. френските учени П. Пелтие и Ж. Каванту изолираха от листа на растения зелен пигмент, на който дадоха името хлорофил, от гръцките думи хлорос — зелен, и филон — лист. Великият Берцелиус не остави без внимание и този въпрос и през 1837 г. се опита да научи нещо за хлорофила, като го третираше със силни киселини и основи. В 1864 г. английският учен Стоукс установи, че зеленият растителен пигмент е смес от различни вещества. Този въпрос бе разработен най-пълно от руския учен Михаил Цвет с помощта на създадения от него забележителен метод за изследване — хроматографията.

Един от първите, постигнали сериозни успехи в химическото изследване на хлорофила, бе Рихард Вилщетер. Като начало той създаде методи за извличането на този растителен пигмент в големи количества, без да се уврежда молекулата. За разлика от Берцелиус, Вилщетер изследваше хлорофила в меки условия с реагенти, които постепенно отцепваха различни части от сложното съединение и така разкриваха структурата. Той потвърди предположенията, че хлорофилът е родствен по строеж на хемоглобина от кръвта, но същевременно посочи, че в центъра на растителния пигмент стои магнезий, а не желязо, както е при хемоглобина.

Рихард Вилщетер извърши пробив в изследването на хлорофила, създавайки основата за пълното разкриване на неговата структура. За своите изследвания върху растителните пигменти и по-специално върху хлорофила той стана Нобелов лауреат по химия за 1915 г.

Вилщетер посочи, че и хлорофилът, и хемоглобинът са от групата на порфирините. По-нататъшни уточнения за тяхната структура даде Ханс Фишер. Всъщност той започна с експерименти върху хемоглобина и по-специално т.нар. хемин, който е небелтъчната част на молекулата, по-нататък той изследва цяла група пигменти, които имат все същата порфиринова структура, подобна на хемина и хлорофила. Разграждайки тези молекули по различен начин, Фишер стигна до определени изводи за техния строеж. За да ги докаже, той прибягна до класическото средство на органичната химия — реши да ги синтезира.

Това беше доста трудна задача. Наложи се за целта Ханс Фишер да развие цял раздел от органичната химия — химията на пиролите. Това са съединения с пръстенообразна молекула, съставена от 4 въглеродни и 1 азотен атом. Фишер доказа, че 4 пиролови ядра изграждат порфина — изходното съединение за всички порфирини. В центъра на тази пръстеновидна структура при хемина има атом желязо, а при хлорофила — магнезий.

Постиженията на Ханс Фишер бяха блестящ пример за майсторство в химичния анализ и синтез. Те го направиха Нобелов лауреат по химия за 1930 г.

Към порфириновото ядро в хлорофила се свързват и други молекули, които дооформят неговите физични и химични свойства. Още през 30-те години Фишер се опита да синтезира цялата молекула, но успех постигнаха едва в 1960 г. неговите ученици М. Щрел, А. Калоянов и Г. Колер. Едновременно с тях синтез на хлорофила осъществи и американският химик Роберт Бърнс Удуърд, Нобеловият лауреат по химия за 1965 г.

След успехите в първите десетилетия на нашия век в изучаването на фотосинтезата настъпи застой. Оказа се, че класическите химични методи не могат да дадат повече информация. Учените чувствуваха, че фотосинтезата е серия от бързо протичащи реакции, но не можеха да намерят начин за изучаването им. Едва през 40-те години бяха създадени нови методи, които издигнаха изследването на фотосинтезата на нов етап. Голяма заслуга за това развитие има американският биохимик Мелвин Калвин.

През 1935 г., по време на специализация в Манчестерския университет, Калвин се запозна с металпорфирините, към които спадат хеминът и хлорофилът. След завръщането си той започна работа в Калифорнийския университет в Бъркли. Там проф. Джилбърт Луис го насърчи да продължи изучаването на порфирините, започнати в Манчестер при Майкъл Полани. На Калвин помогна щастливото обстоятелство, че Бъркли бе център на изследванията по радиохимия.

В 1940 г. Самуел Рубен и Мартин Камен откриха радиоактивния въглерод-14. Скоро след това този елемент започна да се прилага широко като маркер за изследване на биохимичните реакции. Калвин, който вече беше навлязъл в изследвания на фотосинтезата, реши да използва този метод в новосъздадената радиационна лаборатория, на която стана директор през 1946 г. Там той проведе своите експерименти, използвайки като обект знаменитите зелени водорасли от рода Хлорела.

Мелвин Калвин поставяше водораслите в специален съд и ги осветяваше с лампа за време от 1 до 30 сек. В същия момент през водата се пускаше въглероден двуокис, белязан с въглерод-14. Под действие на светлината този елемент веднага се включва във фотосинтетичната верига. След изтичане на контролното време резервоарът с водораслите се отваряше и те падаха в съд с алкохол, което веднага ги убиваше. По този начин се фиксираха различните етапи от фотосинтезата.

Оставаше да се реши следващата задача — да се открие в какви съединения се е включил белязаният въглерод. За тази цел бе използвана хартиената хроматография. Тъй като въглерод-14 непрекъснато излъчва радиация, хроматографският лист, допрян до фотоплака, дава изображение върху нея. Така е лесно да се види как различните вещества са се разделили и те могат да бъдат изолирани в чист вид за анализ. С този оригинален метод Мелвин Калвин показа, че въглеродният двуокис се фиксира към фосфоглицеринова киселина. Това бе забележително откритие. Оказа се, че въглеродът просто се присъединява към едно от известните вече звена в метаболитната верига на въглехидратите и по този начин влиза в състава на глюкозата и други по-сложни захари.

За това голямо постижение — разкриването на механизма на асимилацията на въглероден двуокис от растенията, Мелвин Калвин получи Нобеловата награда по химия през 1961 г. Той бе тогава 50-годишен и в разцвета на силите си. Проф. Калвин продължава плодотворно да работи в тази изключително важна за човечеството област. Овладяването на тайната на фотосинтезата ще окаже голямо влияние върху земеделието. Растенията усвояват по-малко от един процент от падащата върху тях светлина. Има данни, че тяхната ефективност може многократно да се повиши. Това би означавало колосална революция в добивите. Освен това биха се създали възможности за възникването на „зелена енергетика“ — използването на биомаса като гориво.

Въпреки целия прогрес на човека зелените растения продължават да са основата на неговото съществуване. Но често проблемът в земеделието е не само да се получи реколта. Необходимо е тя да се съхрани и използва по най-рационален начин.

През гладната следвоенна 1945 г. Нобеловата награда по химия бе дадена на финландеца Артури Илмари Виртанен за създадения от него метод за консервиране на зелени фуражи. Този метод беше много ефективен и даваше възможност за неколкократно увеличение на производството на фуражи, особено в северните страни.

Виртанен се насочи към този проблем още през 20-те години, когато като млад учен беше на специализация в Цюрих. Там той се запозна с изследванията на Г. Вигнер върху загубите на хранителни вещества при консервирането на зелената маса. Оказа се, че тези загуби са много големи, като достигат до 50% от белтъчното и витаминно съдържание. Ценните хранителни вещества изчезват, когато сеното се суши или зелената маса се складира и в нея започват нежелателни биохимични процеси.

След като проведе експерименти, Виртанен разработи в 1928 г. прост метод за консервиране на прясно окосени треви е добавка от солна и сярна киселина. Това спираше почти напълно процесите на дишане в растителната маса, които водят до разграждането на хранителни вещества. Прекратяваха се и различните ферментации, предизвикани от микроорганизми. Необходимо бе само да се спазва дозата при добавянето на киселините, за да се постигне почти стопроцентно запазване на белтъчините и витамините.

Методът на Виртанен имаше и това предимство, че окосената зелена маса може да се прибира веднага. В северните страни сеното съхне бавно и често се поврежда от дъждовете. Освен това то заема неоправдано дълго земеделските площи. Бързото прибиране на зелената маса даде възможност да се получават по две-три реколти годишно при високо качество на фуража. Тази технология намери широко приложение през 30-те години и даде възможност на редица страни да задоволят потребностите на своето животновъдство без внос от други страни. По време на войната, когато международната търговия бе прекратена, това се оказа от жизнена важност и няма нищо чудно, че Артури Виртанен стана първият следвоенен лауреат на Нобелова награда по химия. Той е един от неколцината Нобелови лауреати, чиито открития са допринесли пряко за решаването на продоволствените проблеми на човечеството.