Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия

Вильштеттер указал, что и хлорофилл, и гемоглобин принадлежат к группе порфиринов. Дальнейшее уточнение их структуры произвел Ханс Эйген Фишер. Он начал с опытов над гемоглобином, в частности над так называемым гемином — небелковой частью молекулы гемоглобина. В дальнейшем Фишер исследовал всю группу пигментов, имеющих одинаковую порфириновую структуру, подобную структуре гемина и хлорофилла. Разделяя эти молекулы различными способами, Фишер пришел к определенным выводам относительно их строения. Чтобы обосновать эти выводы, он прибег к классическому средству органической химии — решил их синтезировать.

Это была довольно трудная задача, для ее выполнения Фишеру пришлось создать целый раздел органической химии — химию пиррольных соединений. Они имеют кольцевидную молекулу, состоящую из 4 атомов углерода и 1 атома азота. Фишер доказал, что из 4 пиррольных ядер строится исходная структура всех порфиринов. В центре этой кольцевидной структуры гемина находится железо, а у хлорофилла — магний.

Результаты Фишера — блестящий пример мастерства в проведении химического анализа и синтеза, и в 1930 г. ученый был удостоен за свои достижения Нобелевской премии по химии.

К порфирированному ядру в хлорофилле присоединяются другие молекулы, которые определяют его физические и химические свойства. Еще в 30-е годы Фишер пытался синтезировать молекулу хлорофилла, но это удалось сделать лишь в 1960 г. его ученикам М. Штерлу, А. Калояну и Г. Колеру. Одновременно с ними синтез хлорофилла осуществил и американский химик Роберт Берне Вудворд, лауреат Нобелевской премии по химии за 1965 г.

После успехов, которыми были отмечены первые десятилетия нашего столетия, в изучении фотосинтеза наступил застой. Оказалось, что классическими химическими методами больше нельзя получить никакой информации об этом процессе. Ученые чувствовали, что фотосинтез — это целая цепь быстро протекающих реакций, но не находили способа их изучения. Лишь в 40-е годы удалось разработать новые методы, которые подняли исследования фотосинтеза на качественно новый уровень. Большая заслуга в этом принадлежит американскому биологу Мелвину Калвину.

В 1935 г., находясь на стажировке в Манчестерском университете, Калвин познакомился с металлопорфиринами, к которым относятся гемин и хлорофилл. После возвращения в США он начал работать в Калифорнийском университете в Беркли. Там профессор Гильберт Ньютон Льюис порекомендовал Калвину продолжить исследование порфиринов, которым он занимался в Манчестере под руководством Майкла Полани. По счастливому совпадению Беркли был центром исследований в области радиохимии, и это обстоятельство сыграло в работе Калвина очень важную роль.

В 1940 г. Сэмуэль Рубен и Мартин Камен открыли радиоактивный углерод-14. Вскоре этот элемент стали широко использовать в качестве «меток» при исследовании биохимических реакций. Калвин, включившись в исследование процесса фотосинтеза, решил использовать этот метод в радиационной лаборатории, руководителем которой он стал в 1946 г. Там он и провел свои знаменитые опыты с хлореллой.

Калвин помещал эти зеленые водоросли в специальный сосуд и освещал их на протяжении 1—30 с. Одновременно через воду пропускалась двуокись углерода (углекислый газ), меченная углеродом-14. Под действием света этот элемент тотчас включался в цепь фотосинтеза.

По истечении контрольного времени сосуд открывали, и водоросли переносили в спирт, где они сразу погибали. Таким образом можно было фиксировать различные этапы фотосинтеза.

Оставалось лишь выяснить, в какие соединения включился меченый углерод. Для этой цели использовался метод хроматографии на бумаге. Поскольку радиоактивный углерод непрерывно излучает, хроматографический лист, положенный на фотопластинку, создавал на ней изображение. Это позволило хорошо видеть, как разделились различные вещества, и давало возможность выделить их в чистом виде для анализа. С помощью этого оригинального метода Калвин показал, что двуокись углерода фиксируется в форме фосфоглицериновой кислоты. Это было поистине замечательное открытие. Оказалось, что углерод просто подключается к одному из уже известных звеньев цепи обмена углеводов и таким образом входит в состав глюкозы и других более сложных Сахаров.

За это крупное открытие — этапов биохимических превращений двуокиси углерода при фотосинтезе — М. Калвин получил в 1961 г. Нобелевскую премию по химии. Находясь в расцвете творческих сил (ему было тогда 50 лет), профессор Калвин продолжает плодотворно работать в этой исключительно важной для человечества области. Овладение тайной фотосинтеза оказало большое влияние на развитие земледелия. Как известно, растения усваивают менее одного процента падающего на них света, но исследования показывают, что эффективность фотосинтеза можно многократно увеличить. Это привело бы к значительному повышению урожайности и, кроме того, способствовало бы развитию «зеленой энергетики» (использованию биомассы в качестве топлива).