3. Этапы развития физиологии и биохимии растений

Физиология растений зародилась в 17-18 вв. В трудах итальянского биолога и врача М. Мальпиги (1675-1679) и англ. ботаника и врача С. Гейлса «Статика растений» (1727) наряду с описанием структуры растительных тканей и органов излагаются результаты ряда опытов, доказывающих существование восходящего и нисходящего токов воды и питательных вв. у растений, высказывается идея о воздушном питании растений.

В 1772-1782 гг. Д. Пристли, Я. Ингенхауз и Ж. Сенебье, дополняя друг друга, открыли явление фотосинтеза, т. е. способность зеленых растений усваивать СО₂ из воздуха с использованием солнечного света.

Датой рождения ФР как науки считают 1800 г., когда был издан 5-томный труд Ж. Сенебье (швейц. ботаник) «Physiologie vegetale» - “Физиология растений». Этот ученый предложил термин «физиология растений», сформулировал основные задачи новой науки.

Основоположниками физиологии растений в России являются Андрей Сергеевич Фаминцын (1835-1918) и Климент Аркадиевич Тимирязев (1843-1920).

А. С. Фаминцын, академик Российской академии наук, в 1867 г. организовал в Санкт-Петербургском университете первую в России кафедру физиологии растений, а в системе Академии наук - лабораторию анатомии и физиологии растений. Он автор книги «Обмен веществ и превращение энергии в растениях» (1883 г.) и первого отечественного учебника по физиологии растений (1887 г.). Среди учеников А. С. Фаминцына - Д. И. Ивановский, открывший вирусы (1892 г.), М. С. Цвет, разработавший принципы адсорбционно-хроматографического анализа (1903 г.), О. В. Баранецкий, С. Н. Виноградский, В. А. Ротерт, А. А. Рихтер и другие известные ученые.

К.А. Тимирязев - профессор Петровской земледельческой и лесной академии (ныне Московская СХА имени К. А. Тимирязева) и МГУ, академик РАН. Основные исследования К.А. Тимирязева посвящены процессу фотосинтезу, им опубликованы труды «Жизнь растения» (1878), «Чарльз Дарвин и его учение» (1883), «Борьба растений с засухой» (1891), «Земледелие и физиология растений» (1906) и др.

Выделяют 3 этапа развития физиологии растений.

I этап связан изучению почвенного корневого питания растений.

Ван-Гельмонт - голланд. ученый (1579- 1644} ошибочно считал воду единственным питательным веществам для растения (водная теория питания растений).

А. Теер утверждал, что органическое вещество растения берут непосредственно из почвы (гумусовая теория питания растений).

Ю. Либих доказывал необходимость полного возвращения в почву всех элементов, в том числе кремния, кроме азота, вынесенных с урожаем. По его мнению, азот в виде аммиака в достаточном количестве содержится в воздухе.

Ж. Бусенго, Г. Гельригель и М. С. Вороним (доказал образование клубеньков на корнях бобовых из паренхимных тканей) в середине прошлого века (1866 г.) показали роль бобовых в фиксации азота. Огромный вклад в изучение проблемы минерального питания внес

Д. Н. Прянишников (1865-1948), который всесторонне изучил азотный обмен и другие вопросы минерального питания сельскохозяйственных растений.

Дальнейшее развитие учение о минеральном питании получило в работах Д.А. Сабинина, Я. В. Пейве и др.

II этап - разработка проблемы превращения энергии (изучение фотосинтеза и дыхания).

М. В. Ломоносов (1711-1765) впервые высказал мысль, что растение строит свое тело с помощью листьев за счет окружающей атмосферы.

К. А. Тимирязев доказал применимость закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза.

Много сделали для развития этого направления отечественные ученые В.И. Палладии, В. Н. Любименко, Е. Ф. Вотчал, М. А. Мойтеверде, Н. М. Гайдуков, А.А. Красновский, А. Н. Теренин, А. А. Ничипорович, Т. Н. Годнев, А. Т. Мокроносов и др.

Первые исследования дыхания растений были проведены в конце 18 в. (А. Лавуазье и др.). В раскрытии химизма дыхания ведущая роль принадлежит русским ученым А.Н. Баху, В. И. Палладину, С. П. Костычеву (рус.), О. Варбургу (нем.), Д. Кейлину (амер.) и др.

В IX в. окончательно сложились основные разделы современной физиологии растений: фотосинтез (Ж. Бусенго, Ю. Сакс, А. С. Фаминцын, К. А. Тимирязев, М. С. Цвет М. Поникни и Л. Мархлевский, А. Н. Бах), дыхание (А. С. Фаминцын, Л. Пастор, А. Н. Бах, Г. Э. Бертран), водный режим (Г. Дютроше, Г. Де Фриз, Ю. Сакс), минеральное питание (Ю. Либих, Ж. Бусенго, Г. Гельригель, И. Кноп, С. Н. Виноградский, М. В. Бейеринк, Д. Н. Прянишников), транспорт веществ (В. Пфеффер, Е. Ф. Вотчал), рост и развитие (К). Сакс, А. С. Фаминцын О. В. Баранецкий, А. Ф. Баталин, Н. Ф. Леваковскнй, Г. Фехтинг Г. Клебс), движение (Т. Найт, Ю. Сакс, Ч. Дарвин, К). Визнер В. А. Ротерт, В. Пфеффер), раздражимость (Б. Сандерсон, Ч. Дарвин, Н. Ф. Леваковский), устойчивость растений (Д. И. Ивановский К А Тимирязев). Возникла эволюционная физиология растений, устанавливающая приспособительный к внешним условиям характер функциональных особенностей растений (Ч. Дарвин, К. Бернар, А. С. Фаминцын, К. А. Тимирязев).

В первой половине XX в. ведущим направлением физиологии растений становится изучение биохимии дыхания (В. И. Палладии, Г. Виланд, С. Л. Костычев, О. Варбург, Д. Кейлин, Т. Тунберг, Г. Кребс, А. Корнберг и др.) и фотосинтеза (Р. Вильштетер, К. Б. Ван-Ниль, К. Хилл М. Кальвин, Д. И. Арией и др.), развиваются фитоэнзимология, физиология растительной клетки и экологическая физиология растений (Н. А. Максимов (1880-1952) является её основоположником). Им и его учениками (И. И. Туманов, Ф.Д. Сказкин. В. И. Разумов, Б. С. Мешков, Л. И. Джапаридзе, В. Г. Александров, А.Ф. Клешнин, В. М. Ломан, И. В. Красовская и др. выполнены классические работы по морозоустойчивости, засухоустойчивости, росту и развитию, светокультуре растений, открытие фитогормонов (Д. Н. Нелюбов, Н. Г. Холодный, Ф. Вент, Ф. Кегль, И.Д. Куросава и Т. Ябута, Ф. Скуг и др.), создание гормональной теории роста и развития растений (Н. Г. Холодный, М.Х. Чайлахян).

III этап (современный период) начинается со 2-й половины XX в. Характерно её слияние, интеграция с биохимией и молекулярной биологией, биофизикой, цитологией, анатомией и генетикой растений, её тесная связь с практикой. Наряду с углублением исследований на субклеточном и молекулярном уровнях отличается интересом к изучению систем регуляции, обеспечивающих целостность растительного организма (А. Л. Курсанов, М. Х. Чайлахян, И. И. Гунар, В.В. Полевой, В. И. Кефели и др.), а также дальнейшей разработкой теоретических проблем, направленных на решение практических задач с.-х. Большое внимание физиологи растений уделяют изучению механизмов реализации наследственной информации, роли мембран в системах регуляции, механизмам действия фитогормонов, электрофизиологии растений, адаптивных реакций растений к стрессовым воздействиям. Развитию этих исследований способствуют успехи в разработке и использовании методов культуры органов, тканей и клеток (биотехнология) (Р. Г. Бутенко, В. Е. Семененко, В.С. Шевелуха и др.) В с.-х. широкое применение находят достижения в области минерального питания и водного обмена, химические регуляторы роста растений, гербициды и др., участие в практической селекции сортов.

Биохимия растений относительно молодая наука. Как самостоятельная она сформировалась около 150 лет назад - во 2-й половине ХIX в. она выделилась из комплекса биологических и химических наук, хотя её элементы были известны ещё в глубокой древности.

В истории развития биохимических знаний и биохимии как науки можно выделить 4 периода:

I-й период - (с древних времен до эпохи Возрождения). Это период практического использования биохимических процессов без знания их теоретических основ и первых, порой примитивных, биохимических исследований. Предпринимались попытки понять состав и свойства отдельных в-в растительного происхождения.

• технологии производств: хлебопечение, сыроделие, виноделие, дубление кож.

• приготовление красок.

• причины болезней и причины целебных свойств лекарственных растений.

Х век - Авиценна (Ибн-Сина) в «Каноне врачебной науки» посвятил раздел описанию многих лекарственных в-в.

Сохранились берестяные грамоты XI века из которых известно, что в др. новгородцы знали рецепты многих сложных красок и чернил из растений.

II-й период - (от начала эпохи Возрождения до 2-й половины XIX в. - ослабление церковного влияния на науку). Биохимия существует как раздел физиологии.

М. В. Ломоносов во «Введении в истинную физическую химию» (1752) высказывал мысли о химический природе тканей растений и животных и прохождении в них «химических операций». В «Слове о явлениях воздушных» (1753) он высказывал важные мысли о воздушном питании растений, фотосинтезе. Он описал ряд биохимических соединений: жиры, эфирные масла, смолы.

К концу VIII - началу XIX века относятся первые наблюдения над ферментами.

1783 г. - Спаланцанни установил, что мясо разжижается под действием желудочного сока хищных птиц (переваривание пищи - химический процесс).

1814 г. - К.С.Кирфгоф показал, что в прорастающем зерне пшеницы содержится в-во, способное превращать крахмал в сахар и декстрин.

1833 г. - Пайон и Персо выделили его из пшеницы и назвали диастазой (амилазой), постулировали роль ферментов как катализаторов биохимических реакций.

1836 г. - Шванн описал фермент пепсин.

III-й период (со 2-й половины XIX века - до 50-х годов ХХ века). Биохимия выделилась из физиологии как самостоятельная наука.

Вклад А. М. Бутлерова в органическую химию. В 1861 г. представил теорию строения органических веществ. Впервые синтезировал лабор-м путем сахар.

Ф. Мишер (1868) в лаб. нем. физиолога и биохимика Ф. Гоппе-Зейлера открыл ДНК, но по достоинству это открытие было оценено только спустя 100 лет.

А.С. Фаминцын внес выдающийся вклад в биохимию растений: «Обмен веществ и превращения энергии в растениях» (1883).

И. Э. Лясковским и Ал-др Яковл. Данилевским (1838-1923) были получены важные результаты в исследовании химизма белков. В 1884 г. А. Я. Данилевский с помощью ферментов получил белково-подобные вещества. Были сформулированы основные положения полипептидной теории строения белков. А. Я. Данилевский возглавил первую в Росси кафедру биохимии в Казанском ун-те.

Э. Фишер (1852-1919, нем. химик-органик) несколько позднее синтезировал ряд полипептидов. Он сформулировал основные положения полипептидной теории строения белков, установил структуру, предложил формулы и исследовал св-ва почти всех АК. Изучил строение и ферментативные превращения углеводов.

• 1880 г. И. И. Лунин - после его началось изучение витаминов.

Начало ХХ века характеризуется рядом фундаментальных исследований:

• 1903 г. Нейберг впервые использовал название «биохимия».

• 1905 г. А.Горден и В. Ионг выделили фермент спиртового брожения «козимазу» (НАД).

• 1911 г. польский ученый Функ выделил в частом виде витамин В₁.

• 1926 г. Самнер впервые получил в кристаллическом виде фермент уреазу и доказал, что она является белком.

• 1931 г. академик В. А. Энгельгардт открыл, что фосфорилирование сопряжено с дыханием. С 50-х годов начинается новый этап в развитии биохимии.

IV-й период (с 50-х годов ХХ в.) характеризуется усиленным использованием в биохимических исследованиях физических, физико-химических и математических методов, активным изучением основных жизненных процессов. Установление химического состава растений, открытие ферментов и выяснение их роди в обмене веществ, открытие витаминов и гормонов, развитие химии аминокислот и белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов привели к формированию современной биохимии, с развитием которой стали создаваться единые представления об общих закономерностях процессов обмена веществ и превращениях энергии в организмах.

Краткая хронология основных открытий этого периода в биохимии:

• 1953 - Уотсон и Крик - модель двойной спирали ДНК.

• 1953 - Ф.Самнер - расшифровал АК последовательность белка инсулина.

• 1959, 1960 - А.С.Спирин и П.Доти установили втор. и трет. структуру р-РНК.

• 1961 - М.Ниренберг расшифровал первый триплет- код белкового синтеза.

• 1966 - П.Митчел разработал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.

• 1969 - Р.Мерифильд синтезировал фермент рибонуклеазу.

• 1977 - Ф.Самнер полностью расшифровал первич. структуру молекулы ДНК (фага).

Работы русских и советских ученых оказали огромное влияние на развитие биохимии.

К. А. Тимирязева (1843-1920) в области фотосинтеза, физики и химии хлорофилла;

М. С. Цвета, который разработал хроматографический анализ, изучал хлорофилл и растительные каротиноиды; С. И. Виноградского по биохимии микробов; Д. И. Ивановского, открывшего фильтрующиеся вирусы.

А. Н. Бах, В. И. Палладии, С. П. Костычев, И.И. Иванов, А. Н. Лебедев выполнили важнейшие фундаментальные работы по выяснению химизма процессов спиртового брожения и дыхания.

Д. Н. Прянишников является основоположником современных представлений о роли азота в жизни растений и обмене азотистых соединений в них.

А. И. Опарин обосновал биохимические основы происхождения жизни на Земле.

Под руководством академика А. Н. Баха в России была создана техническая биохимия: производство лимонной кислоты (С. П. Костычев, В. С. Буткевич), производство чая (А.Л. Курсанов), усовершенствованы виноделие (А.И. Опарин), хлебопечение (В.Л. Кретович), ферментация табака (А. И. Смирнов), получение витаминов из растительного сырья (В. Н. Букин) и т.д. В настоящее время биохимия растений во многих вопросах успешно интегрируется с физиологией растений.

Интенсивно изучаются биохимические особенности важнейших с.-х. растений. В этом отношении большую роль сыграли работы И.И. Иванова и ряда других советских ученых. В настоящее время проблемы сельскохозяйственной биохимии растений разрабатываются во многих научных учреждениях: Институте биохимии имени А. Н. Баха, Институте физиологии растений имени К. А. Тимирязева, Институте химии природных соединений, институтах биохимии многих республик, на кафедрах биологической химии университетов и в сельскохозяйственных учебных заведениях.