> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Хлорофилл

Хлорофилл

Хлорофилл (греч., листозелень), зеленый пигмент листьев у всех растений. В клетке мы его находим в форме чечевицеобразных телец — хлорофилловых зерен, погруженных в постенный слой протоплазмы (смотрите хроматофоры). Спирт и другие органические растворители — эфир, ацетон — извлекают пигменты хлорофиллового зерна; остается неизменная по величине и форме основа, или строма, состоящая из белковых веществ. У некоторых растений цвет хлороф. зерен может быть замаскирован или пигментами, растворенными в клеточном соку (листья колеуса, бегонии, кровяного бука), или добавочными пигментами, находящимися в хроматофорах (бурые и багряные водоросли). Так как способность растения вырабатывать самостоятельно всю свою органическую массу из углекислоты и воды насчет солнечного света присуща только тем растениям, в листьях которых находится X., то X. придают первенствующее значение в процессе фотосинтеза (смотрите). Буссенгонепосредственно показал, что в этиолированных листьях, выросших в темноте и не содержащих еще X., ассимиляцию удается обнаружить только после того, как в них появится X.,— листья на свету позеленеют. Фотосинтез рассматривают как функцию X. Поэтому исследование X. всегда влекло к себе выдающихся физиологов, химиков, агрономов.

Исследование химической природы X. представляло непреодолимые трудности: два обычные приема очистки вещества, кристаллизация и отгонка, неприменимы, так как пигмент не кристаллизуется и не возгоняется. Кроме того, он черезвычайно нестоек. На свету, от слабых кислот, от углекислоты, даже от действия стекла он легко разрушается. Полный переворот в изучение X. внесли работы Вилынтеттера, проведенные в начале XX ст. Ему удалось выделить X. в чистом виде; он разработал приемы быстрого и полного извлечения пигмента и установил целый ряд его особых свойств. Химия X. до Вилынтеттера и после работ Вилынтеттера принадлежит как бы различным эпохам. Еще до работ Вилынтеттера было известно, что зеленый пигмент всегда сопровождается двумя желтыми. Если к спиртовой вытяжке прибавить бензина и небольшое количество воды так, чтобы спирт стал 65—70% то в верхний, бензиновый слой переходят зеленые пигменты, а в нижний, во дно-спиртовый слой-желтые (реакция Краусса). Желтые пигменты: каротин (по терминологии Вильштет-тера—каротен), который тождествен с кристаллическим пигментом корня моркови, имеет формулу С<0Н56; он относится к группе непредельных углеводородов, имеющих хромофорное ядро — фульвена, С5 Н(=СН3; и ксантофилл, С.10Н6602, оксид каротена. Оба пигмента очень легко окисляются на воздухе, поглощая 21% и, соответственно, 36% кислорода. Были исследованы условия образования X.; изучены его оптические свойства, и была намечена в общем роль X. в процессе фотосинтеза. Особенно ценно было при исследовании X. применение спектроскопа, введенное Тимирязевым. Крупное значение имели также работы Шенка, Мархлевского и Иенцкого, которые показали, что основное ядро, из которого построен зеленый пигмент листьев—X., и красный пигмент крови—гемоглобин, одинаково. Два существенные пигмента в двух царствах природы в основе имеют одно и то же замещенное пиррольное ядро (смотрите пиррол).

Получение X. До Вилынтеттера X. получали или простым настаиванием, или перколяцией (медленным просачиванием растворителя) сухих или свежих листьев в спирту. Но такое извлечение длительно, большая часть X. при этом разрушается. Пигменты, выделенные различными исследователями, не совпадали; терминология их черезвычайно запутана. Вильштеттер предлагает сохранить название X. за всей совокупностью зеленых пигментов, извлекаемых спиртом. Общее название для желтых пигментов—каротиноиды. Выделенные же химические индивидуумы зеленого пигмента Вильштеттер обозначает просто буквами, X. а и X. b.

Вильштеттер выработал прием, который позволяет уже часа через два иметь почти чистый препарат с содержанием X. 98%, а при малых количествах исходного материала, например из 250 гр. свежих листьев, уже через 45 минут, и более чистый. Для получения X. можно брать как сухие, так и свежие листья. Особенно удобны сухие листья крапивы. Тонко измельченные листья (2 кило) очень плотно набивают в большую воронку для отсасывания, с плоским дном, имеющим дырочки, поверх которых кладут фильтровальную бумагу. Порошок лежит слоем сантиметра в 4. Для экстрагирования надо брать растворители, содержащие воду: лучше всего 80%-й ацетон или 90%-й метиловый спирт. 6 литров ацетона уже через полчаса, при последовательном отсасывании, нацело извлекают пигмент. В экстракт переходит большое число разных веществ; из них на X. приходится только 8—16°/о. Дальнейшей обработкой петро-лейным эфиром, ацетоном и серным эфиром удается получить почти чистый X. (98%). Он растворяется в абсолютном спирту, очень легко—в эфире, но совсем не растворяется в петролей-ном эфире.

Исследуя продукты распада X. от кислот и щелочей, Вилыптеттер постоянно наблюдал образование двух очень близких по составу тел —фитохлорина е и фитородина д. Это навело его на мысль о существовании двух зеленых пигментов, на что указывал еще Сорби в 1873 г. Эти два X. Вильштет-тер и разделил, пользуясь их различной растворимостью: в петролейном эфире, содержащем метиловый спирт, больше растворяется X. а, а в 85°/о-м метиловом спирту больше растворяется X. b. Растворы X. а—синеватозеленого оттенка, чувствительнее к кислотам, X. b—желтоватозеленого и легче фильтруются. Отношение количеств X. о и X. Ь довольно постоянно в листьях разных растений и равно 2,9 (±0,6); на 3 молекулы X. а приходится 1 молекула X. b.

Количество пигментов. Обоих зеленых пигментов вместе, и X. а, и X. Ь, находится в сухих листьях 0,8°/о (0,6—1,2), в свежих листьях— 0,112— 0,3%, что составляет на 1 кв. метр листовой поверхности 0,3—0,7 гр. Количество каротиноидов в сухих листьях равняется 0,07—0,20%; на 1 квадратных метров листовой поверхности — 0,03—0,07 гр. Отношение количества каротина к ксантофиллу равняется 0,6 (± 0,1); на одну молекулу каротина приходится 1/2—2 молекулы ксантофилла. Принимая количество всех пигментов на кило сухих листьев у бука равным 8,5 гр., на 115-летнее дерево бука мы получим 180 гр. X.; в них каротиноидов около 40 гр.

Элементарный анализ обнаруживает в молекуле X. большое содержание магния—2,7%. Магний образует комплексное соединение с двумя дополнительными связями; Вилыптеттер полагает, что он выполняет существенную роль в процессе фотосинтеза. Элементарный состав равен для X. а ( К70 О5 N4 Mg; для X- b—С55Н70 Os N4 Mg. X. о и 6 являются трехосновными кислотами, причем две карбоксильные (кислотные) группы образуют сложные эфиры о двумя спиртовыми остатками: с метиловым спиртом и с сложным спиртом— фитолом (смотрите). Фитол составляет 30% от всего X. Вилыптеттер распутал очень сложный вопрос о кристаллическом X. Многие авторы отмечали, что они получали кристаллический X.; но повторение их опытов не всегда удавалось. В листьях некоторых растений, Heracleum, Galeopsis, Stachys, находится особый фермент, хлорофил-лаз, действующий в спиртовых растворах. Под его влиянием в X. сложная группа фитола омыляется, заменяясь тем спиртом, в котором настаиваются листья, этиловым или метиловым. В листьях крапивы такого фермента нет; поэтому из крапивы и легко получать X. неизмененным (фитил-хлорофиллид).

Третья карбоксильная группа X. находится в скрытом виде, образуя внутреннее, лактамовое кольцо (смотрите лак-тамы). Итак, общая формула составляет для X. а (CM Н2Э N3 Mg) (CONH) (С00СН3) (СООС2о Н39) и для X. Ь (С31Н27 N3 О Mg) (CONH) (СООСН3) (СООС20Нзэ).

Вилыптеттером был детально изучен ряд сложных превращений, которым подвергается X. от действия кислот и щелочей. На основании этих исследований можно было установить строение X. От действия кислот, далее таких слабых, как углекислота, магний отщепляется нацело; он заменяется двумя водородами. Получается трудно растворимый, воскообразный феофитин а и Ь, в растворе — оливкового цвета; феофитин а — С32 Н32 О N4 (СООСН3) (СООС20 Нза). Отщепленный магний молено опять ввести в частицу и тем синтезировать исходное тело. Магний легко заменить другими металлами, цинком, медью; получающиеся продукты более стойки.

От действия щелочей изменения более сложны. В первую очередь происходит временный разрыв лактамо-вого кольца; пигмент становится не зеленым, а бурым. Через некоторое время в побуревшем растворе зеленый цвет возвращается. Карбоксильная группа лактамового кольца, при восстановлении зеленого цвета, соединяется уже с другой амидной группой; такое превращение Вилыптеттер называет алломеризацией. Свойства X.—способность кристаллизоваться, растворимость—совершенно при этом изменяются, но оптические свойства — цвет, спектр, остаются неизмененными. Затем от щелочей происходит омыление эфирных групп; спиртовые радикалы, метиловый и фитоловый, соединенные с карбоксильными группами, отделяются. Получаются свободные кислоты — филлины: хлорофиллины а и Ь, и другие, которые при отщеплении магния дают порфирины. От дальнейшего действия щелочи, при высокой температуре, отщепляются уже самые карбоксильные группы; остается бескислородный остаток — этиофиллин С31 H3t N4 Mg, сохраняющий еще ряд признаков X.: растворимость, цвет, флуоресценцию. В состав его входят четыре пиррольныея дра, но как они связаны между собою — еще не вполне установлено.

Из всех свойств X. наиболее существенны его оптические свойства. Их изучали больше всего. Растворы зеленых компонентов X., особенно в эфире, обладают очень сильной, красивой флуоресценцией. Растворы в отраженном свете не зеленые, а багряно-красные. Флуоресценция настолько резка, особенно если направить пучок света на очень слабый, бесцветный раствор X. в темноте, что позволяет открыть следы X., не обнаруживаемые спектральным анализом. Исследование флуоресценции особенно привлекает внимание за последнее время, в связи с вопросом о состоянии X. в хлорофилловых зернах и с попытками привлечь флуоресценцию к объяснению превращения света при фотохимической реакции фотосинтеза. В виду того, что в живых хлорофилловых зернах не удавалось обнаружить флуоресценции (твердый X. не флуоресцирует), заключали, что концентрация X. в хлорофилловых зернах настолько велика, что X. в пластидах находится в твердом состоянии. Уже раньше, при изучении спектра X., Ивановский высказал предположение, что X. в пластидах находится в твердой коллоидальной форме. Вилынтеттер рядом наблюдений решительно подтверждает эти соображения. Но применение сильного ультрафиолетового света, концентрируемого с помощью кварцевых линз, позволяет обнаружить в хлорофилловых зернах слабую флуоресценцию, что допускает возможность нахождения X. растворенным в липоидах. Есть указания, что флуоресцирующие тела поглощают лучистую энергию с образованием перекисей. С этой способностью флуоресцирующих тел стоит в согласии теория ассимиляции Виль-штеттера. Соединение X. с углекислотою в пластидах на свету, насчет поглощенной энергии, претерпевает перегруппировку. В результате получается уже иное соединение атомов: появляется группа перекиси формальдегида, от которой, вероятно под влиянием фермента, уже без поглощения энергии, отщепляется в две ступени кислород и формальдегид, а X. восстанавливается в прежнем виде. Отщепленный формальдегид легко конденсируется в углеводы. X. действует при фотосинтезе как химический сенсибилизатор.

Весьма существенно установить спектр поглощения X., так как только лучи, поглощаемые X., могут вызывать фотосинтез. Разъяснению этого вопроса черезвычайно содействовали работы К. А. Тимирязева. Сильнее всего X. поглощает красные лучи, лежащие между фраунгоферовыми линиями В и С, а затем крайние синие лучи. Кроме того, в слабых растворах заметны еще три полосы поглощения, в оранжевой, желтой и желтозеленой части спектра. Первая полоса поглощения X. настолько характерна, что, наблюдая ее в свете планеты Марса, заключают о присутствии на Марсе зеленой растительности. Характерна для раствора X. полная прозрачность для крайних красных лучей, влево от фраунгоферовой линии В; поэтому очень крепкие растворы X., задерживающие почти все лучи, в проходящем свете уже не зеленые, а пурпурнокрасные.

Спектр листа или отдельных пластид не вполне соответствует спектру растворов: первая типичная линия X. оказывается смещенной несколько влево. Такое же смещение линии наблюдают и в коллоидальных растворах X., получающихся при разведении спиртовых растворов водой. Это служит одним из указаний, что X. в хлорофилловых зернах находится не в виде настоящего раствора, а в коллоидальном состоянии. В пользу этого говорит еще и то, что в коллоидальном состоянии X. более стоек; между тем как в растворах на свету, в присутствии кислорода воздуха, X., окисляясь, выцветает очень скоро, в листьях и на солнечном свету X. не изменяется. Вилыитеттер подверг специальному исследованию вопрос, изменяется ли X. на свету при ассимиляции. Оказалось, что даже при самой сильной ассимиляции, на очень сильном свету, и количество, и отношение между всеми четырьмя компонентами X., и желтыми, и зелеными, остаются почти без изменения.

В коллоидальных растворах X. обнаруживает способность давать с углекислотой нестойкое, диссоциирующее соединение. Это поглощение углекислоты X. не связано исключительно с коллоидальным состоянием, так как и при выпадении X. хлопьями поглощенная углекислота не выделяется. Углекислота, присоединившаяся к X., но потом отделяющаяся от него, вызывает сейчас лее его разрушение. В коллоидальном состоянии X. не так легко разрушается. В листьях, в пластидах X. чем-то защищен от расщепления углекислотою. В спиртовых растворах X. с углекислотою почти не реагирует. Хотя X. поглощает углекислоты и не особенно много, но если мы перечислим на молекулярные отношения, то легко обнаружить поглощение на 1 молекулу X. U—2 5 молекулы углекислоты; большее поглощение углекислоты вызывает уже разрушение X. Вероятнее всего, углекислота не прямо присоединяется к X. при ассимиляции, но в начале вступает в соединение с белковыми веществами в клетке, и уже это сложное соединение связывается X.

Образование X. в листьях идет только при наличии ряда определенных условий. Листовые зачатки в почках содержат небольшое количество X. Если листья развиваются в темноте (кроме ростков хвойных), они остаются желтоватыми; пластиды образуются, но не зеленеют. Такие листья, как и растения, выросшие в темноте, называют этиолированными. Этиолирова иные листья, выставленные на свет, зеленеют, но только не при очень низкой температуре, в присутствии кислородавоздуха и при наличии в клетке питательных веществ—углеводов; при обилии азотистого питания зеленение идет интенсивнее. В этиолированных листьях, кроме небольших количеств каротина и ксантофилла, находятся желтые пигменты, извлекаемые водой. Кроме того, X. образуется только при наличии в клетке железа. Если исключить железо из питательных солей для ростков, то листья начинают вырастать совершенно белыми, хлоротическими-, доставление железа уже через день сопровождается позеленением, хотя железо в состав X. не входит. Влияние железа для зеленения вероятнее всего объясняется тем, что железо входит в состав бесцветной стромы X. зерна. Многие авторы указывали, что образованию X. предшествует появление в пластидах вещества, которое уже превращается на свету в X. Но выделить это вещество или установить его определенные свойства до этих пор не удается.

Недоразвитие зеленого пигмента наз. хлорозом. Часто хлороз бывает патологическим явлением, в результате нарушения обмена веществ, вследствие недостатка той или иной соли или вследствие нападения паразитных организмов. В некоторых случаях хлоротические растения—искусственно выведенные садовые разновидности, как пестролистные, с белыми и желтыми листьями.

Осенью опадению листьев предшег ствует изменение цвета листа, связанное с разрушением, в первую очередь, зеленых компонентов X. Но у многих растений листья, опадая, остаются зелеными и, как показал Вилынтеттер, они иногда и после опадения способны ассимилировать. Трудно установить, каковы причины осеннего разрушения X. Повидимому, оказывают влияние одновременно и понижение температуры, и уменьшение количества света, и изменения, сопровождающие отток веществ из листа.

Роль X. в растении, как химического сенсибилизатора, отчетливо установлена в упомянутой схеме Вилыптеттера, а указания на такое значение X. мы находим уже в работе Тимирязева 1871 г. Однако, значение X. гораздо шире. Долго оставалось загадочным, как на бесцветную углекислоту при ассимиляции могут влиять видимые лучи, углекислотою не поглощаемые. Ответ на этот вопрос был намечен Фогелем (1873) и обстоятельно разъяснен Тимирязевым. X. в пластидах служит не только химическим, но и оптическим сенсибилизатором. Тимирязев экспериментально доказал, что лишь лучи, поглощаемые X., оказываются деятельными при ассимиляции. X., поглощая световые лучи, передает их энергию бесцветной углекислоте. Энергия, поглощенная X., и идет на разложение углекислоты. Ср. фотосинтез.

Литература. К. А. Тимирязев: „Спектральный анализ хлорофилла“ и др. статьи в его книге „Солнце, жизнь и хлорофилл“, 1923. R. Willstatter und А. Stoll: .(Jntersuchungen iiber Chlorophyll“, 1913 и „Unter-suchungen iiber die Assimilation der Kohlensaure“, 1918. Курсы по физиологии растений Ивановского или Костычева (1924). Benecke и. Jost: „Pflanzenphy-siologie“, Bd. I, 1924. Stiles: „Photosynth- sis“, 1925.

Ф. Крашенинников.

Chlorophyceae, см. водоросли, X, 556.