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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Photosynthese. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Mehrere Jahre lang arbeiteten die französischen Chemiker Peltier (1788–1842) und Cavantoux (1795–1877) zusammen. Diese fruchtbare Zusammenarbeit führte zur Entdeckung von Strychnin und Brucin. Den größten Ruhm erlangten sie durch die Entdeckung von Chinin, einem sicheren Mittel gegen Malaria. Im Jahr 1817 veröffentlichten Wissenschaftler „A Note on the Green Matter of Leaves“. Peltier und Kavant entdeckten Chlorophyll, den Stoff, der allen Pflanzen ihre grüne Farbe verleiht. Sie haben dem zwar nicht allzu viel Bedeutung beigemessen. Wissenschaftler übergossen frische Blätter mit Alkohol. Der Alkohol wurde grün und die Blätter wurden völlig farblos. Außerdem wuschen Peltier und Kavantu die erhaltene halbflüssige grüne Masse mit Wasser. Nachdem sie wasserlösliche Verunreinigungen entfernt hatten, trockneten sie es und erhielten ein grünes Pulver. Wissenschaftler nannten diesen Stoff Chlorophyll (von griechisch „chloros“ – grün und „phyllon“ – Blatt). Der Anfang war gemacht. Wilstetter (1872–1942), der Sohn eines Textilkaufmanns, ein deutscher Biochemiker, verband seine wissenschaftlichen Interessen mit Pflanzenpigmenten (Chlorophyll ist eines davon). 1913 veröffentlichte er zusammen mit seinem engsten Schüler Arthur Stoll das grundlegende Werk „Untersuchungen zum Chlorophyll“. Für diese Arbeit erhielt Wilstetter 1915 den Nobelpreis für Chemie. Die wissenschaftlichen Ergebnisse der Wilstetter Schule waren beachtlich. Timiryazev schrieb später, dass Willstetters Werk „für lange Zeit der Ausgangspunkt für die weitere Untersuchung von Chlorophyll bleiben wird und der zukünftige Historiker in dieser Studie zwei Perioden bemerken wird – vor Willstetter und nach „ihm“. „Zuallererst unterschied Wilstetter“, schreibt Yu G Chirkov, „zwei Prinzipien im Grün – Chlorophyll a (es ist das wichtigste) und Chlorophyll b. Die zweite Errungenschaft: Wilstetter ermittelte die chemische Zusammensetzung des Chlorophyllmoleküls.“ Das Vorhandensein von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Chlorophyll wurde erwartet. Aber Magnesium war eine Überraschung für Wissenschaftler! Chlorophyll war die erste Verbindung in lebendem Gewebe, die dieses Element enthielt. Und schließlich das dritte: Wilstetter wollte herausfinden, ob alle Pflanzen das gleiche Chlorophyll haben? Denn wie viele verschiedene Pflanzen gibt es auf der Erde, wie unterschiedlich sind ihre Lebensbedingungen, kosten sie also wirklich alle das gleiche, sozusagen Standard-Chlorophyllmolekül? Und hier zeigte Willstetter wieder seinen wissenschaftlichen Charakter. Weder Zeitgenossen noch Nachkommen hätten auch nur den leisesten Zweifel an der Glaubwürdigkeit der von ihm erlangten Tatsachen hegen dürfen! Die gigantische Arbeit dauerte ganze zwei Jahre. In Zürich, wo Wilstetter damals arbeitete, lieferten zahlreiche Helfer von verschiedenen Orten das Pflanzendunkel. Land- und Wasserpflanzen, aus Tälern und Berghängen, aus Norden und Süden, aus Flüssen, Seen und Meeren. Und aus jeder erhaltenen Probe wurde Chlorophyll extrahiert und seine chemische Zusammensetzung sorgfältig analysiert." Als Ergebnis war der Wissenschaftler überzeugt, dass die Zusammensetzung des Chlorophylls überall gleich ist! Häm ist für die rote Farbe des Blutes verantwortlich. Sowohl Häm als auch Chlorophyll basieren auf Porphin. „... Hans Fischer hat am Anfang Häm studiert“, bemerkt Chirkov. An den acht Ecken des Porphins befestigt... Fishers Arbeiten zur Entschlüsselung und Synthese von Häm wurden mit dem Nobelpreis gekrönt. Doch der Wissenschaftler wollte sich nicht auf seinen Lorbeeren ausruhen: Nun war er fasziniert vom Geheimnis des Chlorophylls. Es wurde schnell festgestellt: Die Basis von Chlorophyll ist immer noch das gleiche Porphyrin IX, jedoch ist darin anstelle eines Eisenatoms ein Magnesiumatom „eingestreut“ (das Vorhandensein des letzteren wurde von Wilstetter nachgewiesen) ... ... Als Fisher seine wissenschaftliche Forschung fortsetzte, kam er zu der Überzeugung, dass an der Stelle, an der ein Schwanz mit drei Kohlenstoffatomen an einem Hämmolekül hängt, ein riesiger Schwanz an einem Chlorophyllmolekül herausragt – einer Kette mit zwanzig Kohlenstoffatomen namens Phytol ... Mittlerweile findet man in jedem Lehrbuch zur Pflanzenphysiologie ein „Porträt“ dieses berühmten Moleküls. Die Strukturformel von Chlorophyll nimmt eine ganze Seite ein. Obwohl seine wahren Abmessungen äußerst bescheiden sind - 30 Angström ... Das Chlorophyllmolekül ähnelt einer Kaulquappe: Es hat einen flachen quadratischen Kopf (Chlorophyllin) und einen langen Schwanz (Phytol). In der Mitte des Kopfes, wie das Auge eines Zyklopen oder ein Diamant in einer Königskrone, prangt ein Magnesiumatom. Wenn wir den Phytolschwanz von der Kaulquappe abreißen und das Magnesiumatom durch ein Eisenatom ersetzen, erhalten wir Häm. Und wie von Zauberhand verändert sich die Farbe des Pigments: Aus Grün wird Rot! Der Amerikaner Draper, gefolgt von dem Engländer Daubeny und den Deutschen Sachs und Pfeffer, kamen als Ergebnis der Experimente zu dem Schluss, dass die Photosynthese am intensivsten in den gelben Strahlen des Sonnenlichts stattfindet. Der russische Wissenschaftler Timiryazev war mit dieser Meinung nicht einverstanden. Kliment Arkadjewitsch Timirjasew (1843–1920) wurde in eine alte Adelsfamilie hineingeboren. Der Junge erhielt seine Grundschulbildung zu Hause. Dann trat Clement in die Naturabteilung der Fakultät für Physik und Mathematik der Universität St. Petersburg ein. Die Studenten der Naturwissenschaften waren schon immer von demokratischen Gefühlen geprägt, und diese Fakultät galt als traditioneller Beginn des Weges der russischen Raznochintsy. In seinem zweiten Jahr weigerte sich Timiryazev, ein Versprechen zu unterschreiben, dass er sich nicht an regierungsfeindlichen Aktivitäten beteiligen würde. Dafür wurde er von der Universität verwiesen. Aufgrund der herausragenden Fähigkeiten des jungen Mannes durfte er sich jedoch ehrenamtlich weiterbilden. Da sich in Russland herausstellte, dass Timiryazevs wissenschaftliche Karriere aufgrund seiner Unzuverlässigkeit beendet war, ging er unmittelbar nach seinem Universitätsabschluss ins Ausland. Der junge Wissenschaftler arbeitet in den Labors der größten französischen Biologen – P. Berthelot und J. Bussingault – und absolviert außerdem ein Praktikum in Deutschland beim Physiker Kirchhoff und dem Physiologen Helmholtz. An einer der deutschen Universitäten wird er promoviert. Nach seiner Rückkehr nach Russland begann Timiryazev an der Petrovsky Agricultural and Forestry Academy zu arbeiten. 1871 wurde er nach Verteidigung seiner Dissertation „Spektralanalyse des Chlorophylls“ zum außerordentlichen Professor an der Petrovsky Agricultural Academy gewählt. Heute trägt diese Akademie den Namen Timiryazev, der 1875 nach Verteidigung seiner Doktorarbeit „Über die Assimilation des Lichts durch eine Pflanze“ ordentlicher Professor wurde. Timiryazevs erstes Buch widmet sich der Popularisierung von Ideen Charles Darwin. Er war praktisch der erste, der sie für die russische Wissenschaft öffnete, und war der erste, der den Darwinismus als Lehrplan für Studenten einführte. Timiryazev widmete den größten Teil seines Lebens dem Studium des Chlorophylls. Sein brillantes Buch Plant Life (1878) erlebte Dutzende von Ausgaben in russischer und fremder Sprache. Darin zeigte er an anschaulichen Beispielen, wie sich eine grüne Pflanze ernährt, wächst, entwickelt und vermehrt. Timiryazev besaß die seltene Gabe eines populärmachenden Wissenschaftlers, der selbst einem unerfahrenen Leser wissenschaftliche Phänomene sehr einfach erklären konnte. Um die Schlussfolgerung zu widerlegen, dass das Photolysemaximum in gelben Strahlen auftritt, und um zu beweisen, dass dieses Maximum in roten Strahlen auftritt, führte Timiryazev eine ganze Reihe sorgfältig durchdachter Experimente durch. Er selbst schafft die genauesten Instrumente für den praktischen Beweis der Richtigkeit seiner theoretischen Schlussfolgerungen. Timiryazev zeigte, dass Drapers falsche Schlussfolgerungen das Ergebnis falsch eingestellter Experimente waren. Eine unabdingbare Voraussetzung für den Erfolg dieser Experimente ist die Reinheit des Spektrums. Damit das Spektrum sauber ist, also jeder Abschnitt klar von anderen abgegrenzt ist, darf der Spalt, durch den der Lichtstrahl tritt, nicht breiter als 1–1,5 Millimeter sein. Mit den damals bekannten Methoden der Gasanalyse war Draper gezwungen, einen Spalt von bis zu 20 Millimeter Durchmesser zu verwenden. Dadurch stellte sich das Spektrum als extrem verunreinigt heraus. Die größte Durchmischung der Strahlen fand dabei im mittleren, gelbgrünen Teil statt, der aus diesem fast weißen, leicht gefärbten Gelb wurde. Hier fand Draper die maximale Wirkung der Photosynthese. Timiryazev gelang es in seinen Experimenten, den Fehler von Draper zu beseitigen. In seiner im Sommer 1868 durchgeführten Studie über die relative Bedeutung der verschiedenen Strahlen des Spektrums im Prozess der Photosynthese erreicht er dies durch die Verwendung sogenannter Lichtfilter. In diesem Fall wird die Untersuchung der Intensität der Photosynthese in verschiedenen Sonnenstrahlen nicht im Spektrum durchgeführt, sondern in separaten Strahlen, die mit Hilfe farbiger Flüssigkeiten vom Rest der Strahlen isoliert sind. Timiryazev konnte feststellen, dass Chlorophyll rote Strahlen am vollständigsten absorbiert. In diesen Strahlen entdeckte er auch die höchste Intensität der Photosynthese, was auf die entscheidende Rolle des Chlorophylls bei dem untersuchten Phänomen hinweist. Nachdem Timiryazev den Irrtum von Drapers Experimenten aufgedeckt hatte, verstand er gleichzeitig vollkommen, dass genaue Ergebnisse, die seine Hypothese über die Abhängigkeit der Photosynthese vom Absorptionsgrad dieser Strahlen durch ein grünes Blatt und von der Menge ihrer Energie bestätigen, nur erreicht werden können mit Hilfe von Experimenten, die direkt im Spektrum durchgeführt werden. Nachdem Timiryazev eine ganze Reihe von Studien in dieser Hinsicht konzipiert hat, widmet er sich zunächst der Untersuchung der Eigenschaften von Chlorophyll. Timiryazevs Forschungen zeigten deutlich, wie er selbst sagte, „die kosmische Rolle der Pflanzen“. Er bezeichnete die Pflanze als Vermittler zwischen der Sonne und dem Leben auf unserem Planeten. „Ein grünes Blatt, oder besser gesagt, ein mikroskopisch kleines grünes Chlorophyllkorn, ist ein Brennpunkt, ein Punkt im Weltraum, in den von einem Ende die Energie der Sonne fließt und vom anderen Ende alle Erscheinungsformen des Lebens auf der Erde ihren Ursprung haben.“ A Die Pflanze ist ein Mittler zwischen Himmel und Erde. Es ist wahr, Prometheus, der das Feuer vom Himmel stahl. Der Sonnenstrahl, den er stahl, brennt sowohl in einer flackernden Fackel als auch in einem blendenden Stromfunken. Der Sonnenstrahl setzt sich in Bewegung sowohl das monströse Schwungrad einer riesigen Dampfmaschine als auch der Pinsel des Künstlers und die Feder des Dichters. Dank Timiryazevs Forschungen hat sich die Sicht der Pflanze als wunderbarer Akkumulator für Sonnenenergie in der Wissenschaft fest etabliert. Heute besteht kein Zweifel: Der Chloroplast ist ein von der Natur geschaffenes Gerät zur Photosynthese, und diese heute offensichtliche Position wurde 1881 von Theodor Wilhelm Engelmann (1843–1909), einem deutschen Physiologen, Autor hervorragender Werke zur Tierphysiologie, bewiesen. Wie Chirkov bemerkt: "Die Lösung des Problems war äußerst genial. Bakterien haben geholfen. Sie haben keine Photosynthese, aber sie brauchen wie Menschen und Tiere Sauerstoff. Und Sauerstoff wird von Pflanzenzellen freigesetzt. An welchen Stellen? Und das ist was." muss es herausfinden! Engelman argumentierte wie folgt: Bakterien werden sich in den Teilen der Pflanzenzelle ansammeln, wo Sauerstoff freigesetzt wird, diese Orte werden die Zentren der Photosynthese sein. Bakterien und eine Pflanzenzelle werden in einen Wassertropfen gegeben. All dies war mit Glas bedeckt, die Ränder wurden sorgfältig mit Vaseline bestrichen: um den Zutritt von Sauerstoff aus der Luft unter das Glas zu verhindern. Wenn nun das gesamte Gerät eine Weile im Dunkeln gehalten wird, hören die Bakterien auf, sich zu bewegen, nachdem sie den gesamten Sauerstoff in der Flüssigkeit verbraucht haben. Nun das Entscheidende: Übertragen wir unser Gerät auf den Mikroskoptisch und beleuchten wir die Pflanzenzelle so, dass die Lichtstrahlen auf ihre verschiedenen Teile fallen (und der Rest im Schatten liegt). Und man kann leicht sicherstellen, dass sich Bakterien erst dann zu bewegen beginnen, wenn ein Lichtstrahl auf einen der Chloroplasten fällt ... So wurde endlich deutlich: Chloroplasten sind jene Fabriken, in denen die Pflanze geschickt einen Lichtstrahl zu Chemikalien schmilzt, und das in Chloroplasten enthaltene Chlorophyll katalysiert diesen Prozess. Der russische Botaniker Andrei Sergeevich Famintsin (1835–1918) bewies, dass dieser Prozess auch bei künstlichem Licht ablaufen kann. Im Jahr 1960 informierten Zeitungen in den Vereinigten Staaten und anderen Ländern die Welt darüber, dass dem berühmten amerikanischen organischen Chemiker Robert Berne Woodward (1917) eine beispiellose Synthese von Chlorophyll gelungen war. Autor: Samin D. K.
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