2. История открытия

Возможность экстракции зеленых пигментов листьев спиртом была известна уже французскому ученому Ж. Сенебье в 1782-1800 гг. В 1817 г. французские химики П. Пельтье и Ж. Кванту назвали зеленый спиртовой раствор смеси растительных пигментов хлорофиллом. Экспериментальные доказательства того, что поглощенный хлорофиллом свет приводит к фотосинтезу, были получены в параллельных исследованиях российского ученого К.А. Тимирязева и немецкого ученого Н. Мюллера в 1872-1876 гг.

Основные исследования Тимирязева по физиологии растений посвящены изучению процесса фотосинтеза, для чего им были разработаны специальные методики и аппаратура.

Выясняя зависимость фотосинтеза от интенсивности света и его спектрального состава, Тимирязев установил, что ассимиляция растениями углерода из углекислоты воздуха происходит за счет энергии солнечного света, главным образом в красных и синих лучах, наиболее полно поглощаемых хлорофиллом. Тимирязев впервые высказал мнение, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в процессе фотосинтеза, предвосхитив этим современные представления. Он показал, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна поглощенной энергии при относительно низких интенсивностях света, но при их увеличении постепенно достигает стабильных величин и далее не меняется, то есть им были открыты явления светового насыщения фотосинтеза.

Это представление стало общепринятым после работ немецкого ученого Рейнке (1884-1885 гг.). Многие исследователи пытались найти способы очистки зеленых пигментов и определения их химической структуры.

В частности, российский ботаник И.П. Бородин в 1882 году описал получение производного хлорофилла -- кристаллического этилхлорофиллида при действии этанола на листья. Эти исследования были подтверждены и продолжены российским исследователем Н.А. Монтеверди в 1893 году.

Исследованием хлорофилла занимался и замечательный русский ботаник Михаил Семенович Цвет, прославившийся изобретением хроматографии -- простого способа разделения смесей который в наше время стал совершенно незаменимым в химическом анализе. М.С. Цвет родился в Италии и немало скитался по свету в поисках пристанища для спокойной работы. В конце концов, он обосновался в России, на родине своего отца. Здесь им были сделаны главные его открытия, здесь он и умер в 1919 году, не дожив до 47 лет. Созданный ученым аналитический метод, который он назвал хроматографией (от греческого «хрома» -- цвет), позволил доказать наличие двух пигментов, составляющих хлорофилл.

М.С. Цвет пропускал раствор пигментов через стеклянную колонку, плотно набитую толченым мелом. И разные пигменты, даже незначительно отличающиеся друг от друга, осаждались по-разному. Таким образом, получался столбик, напоминающий шлагбаум тем, что был окрашен послойно. Метод, предложенный М. Цветом, позже получил развитие и ныне широко применяется в химическом анализе.

Итак, задача выделения чистых зеленых пигментов была решена в 1906-1908 гг. российским ученым М.С. Цветом с помощью разработанного им хроматографического метода. Цвет показал, что зеленый пигмент растений является смесью двух пигментов, названных позже хлорофиллами а и b.

Химическую структуру хлорофилла, а выяснили немецкие ученые Р. Вильштеттер, А. Штоль (1913) и Х. Фишер (1940). Фишер начал работы по химическому синтезу хлорофилла, а полный синтез хлорофилла был выполнен американским химиком Р. Вудвордом в 1960.

В 1905г. Вильштеттер занял должность профессора химии Федерального технологического института в Цюрихе.

Именно в Цюрихе Вильштеттер начал заниматься исследованиями хлорофилла вещества зеленого цвета, которое содержится почти во всех цветущих растениях, мхах, папоротниках и водорослях. Хлорофилл играет важную роль в фотосинтезе - процессе превращения зелеными растениями под действием света углекислого газа и воды в сахар, крахмал и кислород. В то время, когда Вильштеттер приступил к своим исследованиям, структура хлорофилла не была полностью понятной. В 1906 г. было выдвинуто предположение, что в каждом отдельно взятом растении имеется множество различного рода хлорофиллов и что царство растений представляет собой склад неограниченного числа хлорофиллов. Если бы эта теория была верна, было бы очень трудно определить химическую природу фотосинтеза, поскольку данные, полученные в результате опытов над одним видом растений, могли бы не иметь никакой ценности для исследователей, рассматривающих другие их виды.

Значительный вклад, который внес Вильштеттер (в большой мере в сотрудничестве со своим учеником Артуром Штоллем) в решение этой проблемы, отличался технологическим совершенством. На листьях крапивы, дешевом источнике хлорофилла, имеющемся в большом количестве, Вильштеттер показал, что у хлорофилла существует одна основная структура (тетрапиррол, или соединение четырех пиррольных колец, связанных центральным атомом магния). Более того, он обосновал, что, хотя для хлорофилла характерна одна структура, существуют две его почти идентичные формы a и b. Продолжая свою работу, Вильштеттер установил универсальность хлорофилла a и b, подвергнув анализу более 200 растений. Таким образом, он продемонстрировал наличие во всем мире одной фундаментальной структуры хлорофилла. А отсюда напрашивался вывод, что при фотосинтезе повсюду происходят одни и те же химические реакции. Придя к такому открытию, Вильштеттер и Штолль дали такую оценку некоторых противоречивых результатов, полученных ранее исследователями хлорофилла. Они заявили, что эти исследования проводились «с неочищенным хлорофиллом. Собственно говоря, это вообще был не хлорофилл».

В 1912г, уступив настоятельной просьбе своего друга Ханса Фишера, Вильштеттер перешел в только что созданный Институт Кайзера Вильгельма в Берлине, где продолжил исследование антоцианинов. Большая часть красных, синих и фиолетовых пигментов растений состоит из антоцианинов - соединений, которые могут быть извлечены из растений с помощью спирта, эфира или воды. Например, благодаря антоцианинам вода, в которой кипит свекла, становится красной. Вильштеттер обнаружил, что при одинаковой структуре растворимых в воде пигментов могут образовываться разные цвета. Он нашел, что большая часть цветков растений обязана своей окраской всего лишь трем антоцианинам, которые различаются только числом гидроксильных групп на одном кольце растворимых в воде структур. Окраска цветков зависит от смеси нескольких антоцианинов и (для желтого цвета) каротиноидов. Проводимые Вильштеттером исследования антоцианина были прерваны разразившейся в 1914 г. первой мировой войной. Из-за травм, которые он получил несколькими годами ранее в горах, совершая восхождение, ученый был освобожден от военной службы.

В 1915г. Вильштеттеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла». Поскольку во время войны церемонии награждения были отменены, Вильштеттер получил премию только в 1920 г. В своей Нобелевской лекции он сказал: «Цель моей работы состояла в том, чтобы установить структурные характеристики наиболее широко распространенных пигментов растений, в частности хлорофилла, и найти определенные критерии, касающиеся их химической функции». Работа Вильштеттера над хлорофиллом и антоцианинами показала, что в основе всего разнообразия растительных пигментов лежит лишь несколько химических соединений. Соотнося этот факт с изучением хлорофилла, Вильштеттер утверждал, что биохимические основы фотосинтеза должны быть универсальны и поэтому им предстоит стать объектом научного анализа.

Окончательную структуру хлорофилла установил уже знакомый нам Ханс Фишер в 1940 году.

Искусственный хлорофилл был получен еще через 20 лет. Эта заслуга принадлежит коллективу американских ученых, возглавляемому известным химиком-органиком Робертом Бернсом Вудвортом. Недаром его называли непревзойденным королем синтеза, человеком, «который лепит молекулы». В самом деле, 27-летний Вудворт дебютировал синтезом хинина, на который было затрачено чуть больше года. Пельтье и Кванту сначала открыли хинин, а потом хлорофилл. Вудворт сначала синтезировал хинин, а потом хлорофилл. В 1951 году Вудворт сообщает, что им проведены синтезы холестерина -- одного из стеринов, с которым связано нарушение обмена веществ и отложение бляшек на стенках сосудов, а также кортизона -- лекарства против различных воспалительных процессов. Далее следуют синтезы других соединений, среди которых известный нам стрихнин, а также резерпин -- средство лечения психических заболеваний и гипертонии. И, наконец, синтез хлорофилла, на который было затрачено 4 года.

Итак, было обнаружено, что хлорофилл состоит из двух компонентов, которые получили название а и b, a также, что в центре его порфиринового кольца заключен магний.

Эти работы послужили основой для понимания функции хлорофилла в фотосинтетическом аппарате[1].