9.4.1. 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 изотопы (см. Приложение 1.3).

Массовое число обычного изотопа кислорода равно 16, поэтому его обозначают ¹⁶О (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:

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:

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:

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 СО₂ и образуется углевод. Присоединение водорода - это один из примеров химической реакции, называемой восстановлением (см. Приложение 1.2).

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 темновыми 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.