Вильгельм Пфеффер — основоположник физиологии растений

 

Полной противоположностью Жоржу Бону был известный немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер. Этот удивительно трудолюбивый исследователь всю свою жизнь с двадцатилетнего возраста, когда он получил докторскую степень в Гёттингенском университете, и вплоть до своей смерти в 1920 году, в возрасте семидесяти пяти лет, регулярно публиковал свои научные сообщения. Выдвинутые им идеи настолько основополагающи, что ученые наших дней в своей работе с живым материалом — растениями и животными — или объектами, занимающими промежуточное положение между живой и неживой природой, опираются на его учение так же уверенно, как и на закон всемирного тяготения.

Как и Декандоль, Пфеффер наблюдал суточные движения листьев у растений. Для своих наблюдений Пфеффер избрал молодые растения фасоли, материал легко доступный и удобный для экспериментирования. Как и Декандоль, Пфеффер обнаружил, что листья растений сохраняют ритмику суточных движений и в том случае, если освещение и температура поддерживаются постоянными. Но в отличие от Декандоля наблюдения Пфеффера были более подробными и полными и, следовательно, результаты — более убедительными.

Однако все эти наблюдения представляются малозначительными по сравнению с открытиями, сделанными ученым к 1880 году. Во-первых, он обнаружил существование функциональной зависимости осмотического давления раствора от его концентрации — зависимости, которая и в настоящее время объясняет основы поведения всех живых клеток. Кроме того, Пфеффер сконструировал новый прибор, так называемый клиностат, который позволил изучать реакцию растений на земное притяжение. Но подробнее мы поговорим об этом ниже, а сейчас познакомимся с самим ученым и диапазоном его интересов и достижений.

Вильгельм Фредерик Филипп Пфеффер родился 9 марта 1845 года в Грабенштейне около Касселя. После защиты докторской диссертации по ботанике он получил должность профессора в Боннском университете. Затем преподавал ботанику поочередно в Базеле, Тюбингене и, наконец, в Лейпциге, где он возглавлял Ботанический институт. Пфеффер был почетным членом Лондонского королевского общества и членом Парижской академии. В возрасте 35 лет он закончил и опубликовал свой капитальный труд «Физиология растений».

Содержание этого многотомного труда хорошо показывает круг интересов Пфеффера. Определив общие задачи физиологии, он попытался описать структуру и функции органов растений, связь растительных клеток со структурой вещества, механизм поглощения и переноса веществ в организме растений, движение воды в виде жидкости и пара, питательные вещества растений (включая углекислый газ, органические и минеральные вещества, в особенности азот), «созидающий» и «разлагающий» обмен веществ, а также процессы дыхания и брожения.

Обратившись к вопросам роста и гибели растений, он рассмотрел механику роста, взаимосвязь роста с клеточным делением, упругость и прочность растительного организма, давление и напряжение в тканях, влияние на рост растений таких внешних факторов, как свет, температура, магнитные и электрические поля, сила тяжести и центробежная сила, химические и механические воздействия. Кроме того, он коснулся причин, определяющих специфическую форму растений в целом и их отдельных частей, проблем изменчивости и наследственности, периодичности роста, устойчивости к экстремальным воздействиям и смерти растительного организма. Далее он описал движения растений, влияние на них силы тяжести, солнечного света, температуры, химических веществ, воды и электрических полей. Пфеффер изучал способность растений к движению. Ему удалось выяснить, что они склонны перемещаться в сторону наиболее благоприятных условий питания и развития. И наконец, он рассмотрел образование растениями тепла, света и электричества. Этот раздел он завершил коротким выводом, касающимся источников и трансформации энергии в растениях. Словом, интересы его были всесторонни.

Среди этого множества идей два направления исследований Пфеффера наиболее тесно связаны с современным изучением ритмов у растений: изучение осмотического давления в клетках и действия силы тяжести на движения растений.

В поисках путей изучения действия силы тяжести Пфеффер предположил, что если растущее в горшке растение вместо обычного вертикального положения расположить горизонтально и с помощью механического привода вращать горшок вокруг горизонтальной оси, то действие силы тяжести будет аннулировано. «Когда молодое растение медленно и равномерно вращается с помощью клиностата таким образом, что каждый оборот совершается за 3–4 минуты, положение растения непрерывно меняется и действие силы тяжести не успевает проявиться, — писал Пфеффер. — Для большинства растений при скорости вращения 2–3 оборота в час действие центробежной силы не ощущается и ни стебель, ни корни не успевают изогнуться. Вращением на клиностате можно избежать и гелиотропического искривления (наклона в сторону солнца), вызываемого односторонним освещением. Таким образом, вращение растения вокруг горизонтальной оси под прямым углом к направлению освещения позволяет освободиться и от гелиотропического и от геотропического (искривление под действием силы тяжести) действий на организм».

 

 

Рис. 8. В клиностате Пфеффера движение осуществляется механизмом, прикрепленным к крышке (а) тяжелого ящика (б). Один из трех стержней на поверхности крышки соединен карданной передачей с осью (в), которая вращается на фрикционных колесиках (г). На пластинке, укрепленной на оси в, устанавливают горшок с растением (д). Крышка ящика наклоняется под разными углами, фиксируясь винтовым зажимом (е), так что горшок с растением можно вращать не только вокруг вертикальной, но и вокруг наклонной оси. В качестве противовеса для компенсации неправильностей в распределении вращающихся деталей используется регулируемый вес (ж).

 

Вращая сеянцы фасоли, Пфеффер обнаружил, что отсутствие действия силы тяжести вызывает изменения в положении листьев. Что это за изменения? Пфеффер попробовал вращать на клиностате растение, перевернутое вверх корнями, и сразу же заметил, что листья из нормального, дневного, положения «перешли в положение, напоминающее то, которое они принимают ночью».

Современному биологу ясно, что Пфеффер пытался посредством своего клиностата решить слишком много вопросов, так что полученные с помощью этого прибора результаты могут показаться недостаточно убедительными. И все же именно этот самый клиностат натолкнул ученых на эксперименты, поставленные, как мы увидим далее, в 1960 году на Южном полюсе.

Научный вклад Пфеффера в изучение влияния осмотического давления на функции живой клетки состоял в проведении исследований, которые можно назвать экспериментальными в самом современном смысле этого слова. Правильно спланированная программа исследований развивается от общего к частному. Например, биолог, интересующийся изучением зеленых червячков, с которыми работал Бон, начал бы с наблюдений за общим поведением популяции этих созданий, передвигающихся вниз и вверх в толще песка, затем перешел бы к изучению движений отдельного индивидуума, отдельной клетки такого индивидуума и, наконец, к биохимической природе составляющих клетки частей.

Пфеффер проложил путь для подобных исследований, занявшись изучением переноса химических веществ сквозь гибкие мембраны, выстилающие стенки клеток. В общем его представления сводились к следующему. Проникнет ли данное вещество внутрь клетки, зависит от характера клеточной стенки и гибких мембран. Клетка поглощает такое вещество до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Если же достигнутое равновесие постоянно нарушается, происходит непрерывное поглощение вещества. В этом случае относительно большие количества какого-то определенного вещества могут поглощаться даже из очень разбавленного раствора; при этом одно из веществ будет поглощаться в большом количестве, тогда как другое не будет поглощаться вовсе. Постоянное нарушение равновесия может иметь место в том случае, если поглощаемые вещества немедленно подвергаются химическим изменениям, переходя в растворимые или нерастворимые соединения другой природы.

 

Рис. 9. Горшок с Phaseolus multiflorus в перевернутом положении. У черешков первой пары листьев, фиксированных проволокой (а), изгибаться может только листовая подушечка у основания пластинки. Лист 1 принял дневное положение, а лист 2 показан так, как если бы он находился в ночном положении. Листочки трехлопастного листа 3, выполняя нормальные суточные движения, приняли дневное положение за счет искривления отделительного сочленения.

 

Рис. 10. Осмотическое давление в клетке кончика корешка кукурузы (увеличена в 250 раз), может достигать более 7 килограммов на квадратный сантиметр.

 

Но как же Пфефферу удавалось изучать действие клеточной мембраны при ограниченных возможностях лабораторного оборудования восьмидесятых годов прошлого века? Возьмем, к примеру, перенос веществ через клеточные мембраны корешков кукурузы. Размеры этих клеток настолько малы, что, даже увеличенные в 150 раз, едва достигнут одного сантиметра. Работать с таким мелким объектом с помощью доступных в то время методов было невозможно. И Пфефферу пришлось изобретать то, что наиболее близко могло бы имитировать мембрану клетки. В сущности, ему нужна была мембрана, проницаемая для мелких молекул, таких, как молекулы воды, и непроницаемая для молекул более крупных, как, например, молекулы сахара.

Может быть, подойдет ферроцианид меди, который использовал немецкий химик Траубе при изготовлении своих клеток — ячеек? Это вязкое коричневое вещество похоже на густой раствор желатина. В качестве механической опоры Пфеффер воспользовался сосудиками из необожженной пористой глины, которые «после максимально тщательного промывания» пропитывались раствором либо хлористой, либо уксуснокислой меди, затем промывались дистиллированной водой и подвешивались в растворе ферроцианида калия. Таким путем Пфеффер добивался образования исключительно тонкой пленки студенистого ферроцианида меди внутри пор глиняного сосуда. Наконец, сосудики многократно отмачивались в нескольких сменах дистиллированной воды для удаления всех следов не выпавших в осадок растворимых солей.

Оставалось узнать, действуют ли эти «мембраны» подобно мембранам живых клеток. Налив в один из сосудиков раствор сахара, ученый погрузил его в сосуд с дистиллированной водой. И вдруг, к своему неописуемому восторгу, он заметил, что уровень жидкости в сосудике начал медленно подниматься: втягивалась вода, находящаяся в нижнем сосуде. А как же сахар? Проходил ли он через мембрану вниз, в дистиллированную воду? Стала ли она сладкой? Трудно себе представить, чтобы Пфеффер не попробовал ее на вкус. Он не написал об этом. В любом случае за его первыми попытками последовала большая серия экспериментов, окончательно доказавших, что мембрана пропускает чистую воду, но препятствует прохождению сахара. Пфефферу удалось получить мембрану, которая работала, как мембрана живых клеток. При этом техника изготовления таких мембран была настолько простой, что он мог получать их в любом количестве.

Следующей задачей ученого было измерить силу, которая заставляет чистую воду проходить через мембрану в раствор сахара. Пришло время перейти от качественных наблюдений к количественным.

Для количественных измерений потребовалось всего лишь очень простое дополнение к его сосудам. Их отверстия он заткнул пробками, в которые предварительно вставил стеклянные трубки. Теперь вода, втягиваемая в сосуд, поднималась по трубке до тех пор, пока осмотическое давление раствора не компенсировалось весом столба жидкости в трубке.

Пфеффер провел целую серию экспериментов, постепенно увеличивая концентрацию сахара в исходных растворах и измеряя высоту, на которую поднимались растворы в стеклянных трубках. Оказалось, что, чем большей была концентрация сахара в исходном растворе, тем выше поднимался столб жидкости. На графике зависимости высоты столба жидкости от концентрации сахара в растворе точки, соответствующие результатам измерений, выстраивались в прямую линию. Так было окончательно доказано, что осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества. Современные ученые полагаются на это количественное соотношение в своей повседневной работе как на нечто само собой разумеющееся. Да и те, кто работает в наше время в области клеточной физиологии, понимают работу внутренних механизмов клетки значительно глубже, чем Пфеффер. Но, как сказал Исаак Ньютон: «Если я и видел дальше… то стоя на плечах гигантов».

 

Рис. 11. Простой прибор, очень похожий на тот, которым пользовался Вильгельм Пфеффер, чтобы измерить осмотическое давление в растворе сахара.

 

 

1234567Следующая ⇒

Поделиться: