Роберт Майер писал: «Природа, по-видимому, поставила себе целью уловить налету изливающийся на землю свет и, обратив эту подвижнейшую из всех сил в неподвижную форму, в таком виде сохранить ее. Для достижения этой цели она облекла земную кору организмами, которые в течение жизни поглощают солнечный свет и за счет этой силы образуют непрерывно накопляющийся запас химического напряжения. Эти организмы —
Как бы продолжая эту мысль, Герман Гельмгольц говорил: «Таким образом одновременно с исчезновением солнечного света в растении наблюдается появление и накопление горючего вещества, и мы в праве считать очень вероятным, что первое является причиной второго. Но, во всяком случае, я должен оговориться, что мы не обладаем никакими опытами, из которых можно было бы с достоверностью заключить, точно ли живая сила исчезающих солнечных лучей соответствует накопляющемуся запасу химических сил, а пока таких опытов еще не существует, мы не можем признать указанное соотношение за несомненную истину».
За выполнение этой капитальной задачи — показать, «точно ли живая сила исчезающих солнечных лучей соответствует накопляющемуся запасу химических сил», и взялся Климент Аркадьевич Тимирязев. В первой же своей работе, уже упоминавшейся нами («Прибор для исследования воздушного питания листьев…»), он таким образом формулирует задачу, над разрешением которой работал затем всю жизнь:
«Изучить химические и физические условия этого явления, определить составные части солнечного луча, участвующие посредственно или непосредственно в этом процессе, проследить их участь в растении до их уничтожения, т. е. до их превращения во внутреннюю работу, определить соотношение между действующей силой и произведенной работой— вот та светлая, хотя, может быть, отдаленная задача, к достижению которой должны быть дружно направлены все силы физиологов»[12].
Свою основную работу об усвоении света при ассимиляции углерода Тимирязев начал с исследований хлорофилла — этого основного элемента фотосинтетического аппарата.
Используя метод спектрального анализа, незадолго до того разработанный Бунзеном и Кирхгофом, при помощи сконструированного им небольшого прибора Тимирязев установил спектры поглощения хлорофилла, а для фиксирования наблюдаемых изменений применил графический метод спектрограмм. Установив главнейшие компоненты пигментов системы хлорофилловых зерен, их химические и оптические свойства, Тимирязев пришел к выводам о значительной физиологической роли хлорофилла и высказал гипотезу об участии хлорофилла в реакциях с углекислотой при восстановлении ее в муравьиный альдегид — тот первый промежуточный продукт фотосинтеза, на который впервые указал Байер и на признании которого сходились авторы целого ряда гипотез по химизму фотосинтеза, а также высказал предположение о значительной роли окислов железа при окислении и восстановлении хлорофилла.
Наиболее важным моментом в этих исследованиях оказался, однако, тот факт, что максимум поглощения хлорофилла лежит в красных лучах спектра между фраунгоферовыми линиями Б и С[13]. Ибо, когда Тимирязев подошел к основной задаче своих исследований, он сразу же столкнулся с противоречием между итогами собственных исследований по хлорофиллу и теми данными, которыми оперировали тогдашние физиологи растений. Противоречие это заключалось в следующем: в науке господствовало мнение, основанное на опытах американского физиолога Дрепера, что процесс ассимиляции углерода, или фотосинтез, наиболее интенсивно протекает в желтых лучах, тогда как максимум поглощения хлорофилла лежит в красных лучах. Кроме того, по закону Гершеля, фотохимическое действие света на какое-либо вещество вызывается теми лучами, которые поглощаются данным веществом, а желтые лучи не обладают максимальным тепловым напряжением.
Возникла задача разрешить это противоречие, что Тимирязев и сделал с беспримерным мастерством и тонкостью искусного экспериментатора. Прежде всего он подверг критике как теоретические предпосылки Дрепера, так и применяемые им методы. Желтые лучи действительно представляются нам наиболее яркими, но это чисто субъективное впечатление, основанное лишь на зрительной способности человека, тогда как решающее значение имеет тот запас энергии, которую они несут с собой; методика Дрепера неправильна. При получении лучей одного цвета, т. е. монохроматических лучей, солнечный свет обычно пропускают через узкую щель, а затем через призму. Дрепер пропускал свет через круглое отверстие диаметром в два сантиметра; при такой широкой щели спектр получается нечистый, и вместо монохроматических лучей получилось наложение одних лучей на другие.
Уже в первых опытах с листьями олеандра, где Тимирязев использовал метод светофильтров, пропуская свет через различно окрашенные жидкости, он получил результаты, резко противоречащие тому, что утверждал Дрепер: максимум фотосинтеза оказался за красным экраном, в красных лучах, проходящих через этот экран.
