Знаменитый физиолог растений

Среди русских учёных немного найдётся таких, которые были бы так популярны и чтимы в народе, как Климент Аркадьевич Тимирязев, обессмертивший своё имя классическими исследованиями процесса фотосинтеза, с которым связано существование всего животного мира, один из основоположников русской школы физиологов растений.

         Родился он 22 мая (3 июня) 1843 года в Петербурге в семье овдовевшего начальника таможенного округа Петербурга, участника походов 1812—1814 гг., впоследствии действительного статского советника и сенатора Аркадия Семёновича Тимирязева, известного вольнодумством и честностью. Он гордился тем, что родился в год, когда началась французская революция, и любил Робеспьера. Когда однажды его спросили, какую карьеру он готовит своим сыновьям, он ответил: "Какую карьеру? А вот какую: сошью я пять синих блуз, как у французских рабочих, куплю пять ружей и пойдём с другими - на Зимний дворец". Несмотря на блестящую карьеру в таможенной службе, семья была очень бедной, в связи с чем с 15 лет Климент сам зарабатывал на жизнь. Тимирязев вспоминал, что с пятнадцатилетнего возраста его левая рука не израсходовала ни одного гроша, которого не заработала бы правая.

     Происхождение фамилии Тимирязевых связывают с именем ордынского князя Темира-Гази (14 в.), потомки которого служили на видных военных и гражданских должностях в России.

      Огромное влияние на К. А. Тимирязева оказали его родные братья Василий и Николай, особенно же приобщивший его к занятиям органической химией Дмитрий Тимирязев, статистик и химик, занимавшийся, в числе прочего, хлорофиллом. Другой (единокровный) брат Иван был отцом министра торговли В. И. Тимирязева.

Первоначальное образование он получил дома. Благодаря матери- русскоподданной этнической англичанке (второй жены отца), внучке бежавшего от Французской революции эльзасского помещика Аделаиде Климентьевне Боде — не только в совершенстве владел немецким и международным языком дворянства — французским — но и одинаково хорошо знал язык и культуру русских и англичан, часто посещал родину предков, лично встречался с Дарвином, вместе с ним содействовал организации в Соединённом Королевстве ранее отсутствовавшей там физиологии растений, гордился тем, что благодаря их сотрудничеству последняя работа Дарвина была посвящена хлорофиллу.

В 1860 году он поступил в Петербургский университет на преобразованный в том же году в разряд административных наук и впоследствии ликвидированный по Уставу 1863 года камеральный разряд юридического факультета, потом перешёл на естественный разряд физико-математического факультета, был удостоен золотой медали за сочинение «О печёночных мхах». В 1861 году за участие в студенческих волнениях и отказ от сотрудничества с полицией он был исключен из университета. Ему было позволено продолжать обучение в университете только вольнослушателем через год. Университет окончил в 1866 году со степенью кандидата. На формирование Тимирязева большое влияние оказали труды Д.И. Менделеева, И.М. Сеченова, Ч. Дарвина.

В 1867 году он стал заведовать по поручению Д. И. Менделеева опытной агрохимической станцией в Симбирской губернии. В это время задолго до В. И. Ленина и Г. В. Плеханова Тимирязев ознакомился с «Капиталом» Маркса в оригинале. Считал, что, в отличие от марксистов, он был единомышленником самого Карла Маркса.

       В начале января 1868 г. открылся I съезд русских естествоиспытателей и врачей. Со своим докладом на нем выступил Тимирязев. Его сообщение называлось "Прибор для исследования воздушного питания листьев и о применении искусственного освещения к подобного рода исследованиям".

      Участникам съезда естествоиспытателей и врачей молодой ученый демонстрировал прибор, который в любых условиях – в лаборатории, в поле, в лесу – обеспечивал исследование воздушного питания зеленого листа. Прибор давал ответы на вопросы: сколько углекислоты поглотил зеленый лист? Сколько пищи принял в себя?

     Второй частью научного сообщения Тимирязева было выяснение вопроса: происходит ли усвоение углекислоты при искусственном освещении? Новый прибор давал исследователю возможность ответить и на этот вопрос. Результаты исследования показали, что при искусственном свете процесс усвоения углекислоты растением значительно уменьшается.

    По предложению профессора ботаника А. Н. Бекетова он в 1868 г. был командирован на два года в Германию и Францию для подготовки к профессорскому званию. Работал в лабораториях Г. Кирхгофа, Г. Гельмгольца, Р. Бунзена, П.Бертло, Ж. Буссенго, К. Бернара, В. Гофмейстера. Своим учителем он считал французского химика, одного из основоположников агрохимии, Жана Батиста Буссенго. (Агрохимия — это наука о химии почв, растений и удобрений и о применении химии для увеличения урожая.)

        Работая в лабораториях, Тимирязев открыл в составе хлорофилла вещество, которое определяет его характерные оптические свойства. Это вещество Климент Аркадиевич назвал хлорофиллином. Тимирязеву удалось выделить хлорофиллин в чистом виде. Он доказал, что действие солнечных лучей изменяет состав этого вещества, подобно действию кислот: в обоих случаях хлорофилл буреет, превращается в филлоксантин.

           Вернувшись в Россию, Тимирязев защитил магистерскую диссертацию («Спектральный анализ хлорофилла», 1871) и был назначен профессором Петровской сельскохозяйственной и лесной академии в Москве (ныне академия имени К.А.Тимирязева). Здесь он читал лекции по всем отделам ботаники, пока не был оставлен за штатом ввиду закрытия академии (в 1892 году).

           В 1875 году Тимирязев получил степень доктора ботаники за сочинение «Об усвоении света растением». Из всех волн лучистой энергии солнца, достигающих зелёных зёрен хлорофилла, наибольшей энергией обладают волны красного света: под их действием интенсивнее всего идёт процесс фотосинтеза, так как они несут зелёному листу наибольшее количество энергии. Таков был важнейший вывод из докторской диссертации Тимирязева.

        Научные труды Тимирязева, отличающиеся стройностью структуры, четкостью и последовательностью изложения фактического материала, посвященной экспериментальной и теоретической разработке проблемы фотосинтеза. Тимирязев установил, что фотосинтез осуществляется в соответствии с закона сохранения энергии; интенсивность фотосинтеза тесно связана с интенсивностью света.

Студент Петровской академии, будущий писатель В.Г. Короленко вспоминал своего профессора Тимирязева: «Высокий, худощавый блондин с прекрасными большими глазами, ещё молодой, подвижный и нервный, – он был как-то по-своему изящен во всём ... Говорил он сначала неважно, порой тянул и заикался. Но когда воодушевлялся, что случалось особенно на лекциях по физиологии растений, то все недостатки речи исчезали, и он совершенно овладевал аудиторией ...»

В 1877 году Тимирязев был приглашён в Московский университет на кафедру анатомии и физиологии растений. С 1878 г. он – профессор Московского университета, где читал лекции 34 года. Он слыл человеком «неблагонадёжным». Вместе со студентами он не явился на занятия, когда отмечали день памяти Чернышевского. Когда декана Бугаева послали зачитать выговор Тимирязеву прямо на лекции, Тимирязев взял из рук оробевшего декана бумагу и зачитал приказ сам. Потом сказал студентам: «Не будем больше об этом говорить. У нас на очереди стоят более важные дела ...». Никто не обратил внимания на то, как Бугаев покинул аудиторию.

Жена Климента Аркадьевича, Александра Алексеевна Готвальт (1857—1943), была дочерью генерал-майора, служившего в Москве полицмейстером.

      Благодаря связям родственников Тимирязеву удалось в 1888 г. узаконить своего внебрачного сына Аркадия, который, по официальной точке зрения, попал в дом Тимирязевых «подкидышем». Отец и сын Тимирязевы, увлекавшиеся фотографией, получили на конкурсе в Нижнем Новгороде «серебряный диплом за серию отличных черно-белых диапозитивов, отображающих природу средней полосы.

       После кровоизлияния в мозг в 1909 году у Тимирязева остались парализованными левая рука и нога. Хотя он был наполовину парализован после болезни и не имел иных источников дохода, но в знак протеста против действий министра просвещения Л. А. Кассо в 1911 году Тимирязев покинул университет вместе с около 130 преподавателями.

        По случаю 70-летнего юбилея Тимирязева 22 мая 1913 года И. П. Павлов так охарактеризовал своего коллегу: «Климент Аркадьевич сам, как и горячо любимые им растения, всю жизнь стремился к свету, запасая в себе сокровища ума и высшей правды, и сам был источником света для многих поколений, стремившихся к свету и знанию и искавших тепла и правды в суровых условиях жизни».

           В 1917 г. он был восстановлен в правах профессора, но из-за болезни не мог работать. Последние годы жизни занимался литературно - публицистической деятельностью.

Основные его работы по физиологии растений посвящены изучению процесса фотосинтеза. Высказал мысль, что хлорофил не только физически, но и химически участвует в процессе фотосинтеза, предвосхитив этим современные представления. Опытным путем Тимирязев доказал приложимость к процессу фотосинтеза закона сохранения энергии и первого закона фотохимии (закона Гротгуса). Свои многолетние исследования по фотосинтезу он в 1903 г. обобщил в лекции "Космическая роль растений", прочитанной в Лондонском королевском обществе. Он показал значение фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями, как первоисточника органического вещества и запасаемой энергии, необходимой для жизнедеятельности всех организмов.

Тимирязев много сделал для пропаганды дарвинизма.

        Главная его научная заслуга заклю¬чается в доказательстве того, что величайший закон при¬роды — закон сохранения энергии — распространяется и на процесс фотосинтеза, а следовательно, и на живую природу. Разработав методику необычайно точного иссле¬дования, Тимирязев установил, что только поглощаемые растением лучи производят работу, т.е. осуществляют фотосинтез. Зеленые лучи, например, не поглощаются хлорофиллом, и в этой части спектра фотосинтез не про¬исходит. Кроме того, он отметил, что существует прямая пропорциональность между количеством поглощенных световых лучей и произведенной работой. Хлорофилл больше всего поглощает красные лучи, поэтому в крас¬ных лучах фотосинтез идет интенсивнее, чем в синих или фиолетовых, которые поглощаются слабее.

       Выясняя, почему растения зелёные, Тимирязев исхо¬дил из принципов дарвинизма. Зелёный цвет он рассмат¬ривал как закономерный результат приспособления рас¬тений в процессе эволюции (естественного отбора). По его мнению, в результате естественного отбора выжили те формы растений, которые приспосабливались с помо¬щью хлорофилла.

            Много лет прошло после появления работ Тимирязе¬ва о фотосинтезе. Теперь точно известен химический со¬став хлорофилла и даже расположение всех атомов в его сложной молекуле. Известно также, что энергия свето¬вого луча разлагает воду, а не углекислый газ. Тем не ме¬нее результаты работ учёного остаются прочным основа¬нием, на котором базируется современное учение о про¬цессе создания органического вещества из углекислого газа и воды под действием солнечного света.

             Тимирязев первый в России провёл опыты с культурой растений в искусственных почвах. Первая теплица для этой цели была устроена им в Петровской академии ещё в начале 70-х гг., то есть вскоре после появления такого рода приспособлений в Германии. Позже такая же теплица была устроена Тимирязевым на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде.

         Огромное влияние на развитие русской агрономической науки оказала доступно и интересно написанная Тимирязевым книга «Земледелие и физиология растений». Этот его труд не утерял значения и в наше время. Тимирязев посвятил эту книгу памяти одного из своих учителей — Жана Батиста Буссенго, лекции которого он слушал в Париже в молодости. Буссенго был выдающимся физиологом растений и агрохимиком.

          Особенно примечательна в книге глава «Борьба растений с засухой». Она написана под свежим впечатлением ужасной засухи и голода в России в 1891 г. В этой главе Тимирязев пишет: «В настоящую минуту, когда всеобщее внимание сосредоточено на изыскании мер борьбы с засухой, я полагаю, нe бесполезно ознакомиться с теми мерами, которые применяет само растение в борьбе с этим злом, постоянно грозящим его существованию».

         Прежде всего Тимирязев отвечает на вопрос: для чего нужна растению вода? Ученый утверждает, что вода входит в состав тела растения, поскольку все химические процессы в нём могут совершаться только в жидкой среде. Кроме того, без воды невозможны ни рост, ни развитие растения. Эту воду, тесно связанную с жизнедеятельностью растения, Тимирязев называет водой «организационной» и отмечает, что, если бы растение нуждалось только в ней, оно вряд ли страдало бы от засухи.

     Помимо «организационной» воды растение нуждается в гораздо большем количестве воды «расхожей», т. е. воды, которая поглощается корнями, а затем быстро испаряется поверхностью листьев. На каждые 16 кг зерна злаковые растения испаряют около 1000 кг воды. Из этого легко вычислить, сколько воды испаряют растения с единицы площади. По расчетам Тимирязева, поле ячменя или пшеницы получает в засушливом Заволжье в обычный год 138 мм осадков, а испаряет из них 102 мм за лето. В 1891 г. на таком поле выпало всего 69 мм осадков. Растениям не хватало воды, и они сильно страдали от засухи.

     К. А. Тимирязев отмечает, что хотя растение и повреждается при очень сильном испарении воды, но само испарение, снижающее температуру тела растения, для него необходимо. В то же время у растений есть приспособления, которые уменьшают испарение: кутикула (восковой налет) и покров из мертвых волосков, наполненных воздухом. Воздух — плохой проводник тепла, он предохраняет растение от излишнего перегрева и этим уменьшает испарение воды.

       Кроме того, некоторые растения засушливых мест (кактусы) имеют сокращённую листовую поверхность, а другие во время засухи совсем сбрасывают листья. Наконец, к таким приспособлениям относится и сокращение испарения путем замыкания устьиц.

        В своей книге Тимирязев пишет также и о практических мерах борьбы с засухой. Многие из них (лесные полезащитные полосы, глубокая пахота, борьба с сорняками, засухоустойчивые сорта) получили широкое распространение.

     Помимо изучения магниевого пигмента хлорофилла — структурного аналога железосодержащего гема, — Тимирязев впервые в мире установил необходимость для жизни цинка, возможность снижения потребности растений в железе при их подкормке цинком, что объяснило интересовавшую его и Дарвина загадку перехода цветковых растений к охоте на животных (плотоядности) на почвах, бедных железом.

         Тимирязев детально исследовал не только проблемы физиологии растений, ассимиляции растением света, воды, питательных веществ почвы, удобрений, проблемы общей биологии, ботаники, экологии. Он считал необходимым развеять домыслы о сухом педантизме чудаков-профессоров и особенно ботаников, прекрасно разбирался не только в фотографии, «необходимой всем, у кого нет кисти Шишкина», но и в живописи, перевёл книгу о знаменитом живописце Тёрнере, но всё же как учёный-естествоиспытатель не удержался и написал к ней имеющую большую ценность вступительную статью «Ландшафт и естествознание».

         Тимирязев признавал «громадное значение» результатов самого Г. Менделя и «менделизма», активно использовал «менделизм», сожалея о том, что Мендель публиковал свои работы «в неизвестном журнале» и не обратился вовремя к Чарльзу Дарвину — тогда наверняка бы они с Дарвином его поддержали при жизни, «как и сотни других».

  Он  подчёркивал, что, хотя и поздно (не ранее 1881 года) ознакомился с трудами Менделя, но сделал это значительно раньше и менделистов, и мендельянцев, и категорически отрицал противоположное менделизму «мендельянство» — перенос законов наследования некоторых простых признаков гороха на наследование тех признаков, которые согласно трудам и Менделя, и менделистов этим законам не подчиняются и подчиняться не могут. Он подчёркивал, что Мендель как «серьёзный исследователь» «никогда не смог бы стать мендельянцем». 

 Рецепт исследования был крайне прост: сделай перекрёстное опыление (что умеет всякий садовник), потом подсчитай во втором поколении, сколько уродилось в одного родителя, сколько в другого, и если, примерно, как 3:1, работа готова; а затем прославляй гениальность Менделя.