Естественно, что столь крупные открытия в области изучения ферментов, как открытие зимазы (ответственной за спиртовое брожение в сахаристых растворах) и оксидаз (необходимых для окисления ряда растительных соков), поставило перед ботаниками-исследователями весьма серьезный вопрос: не лежат ли подобные ферменты и в основе процесса дыхания растений, не является ли обыкновенное кислородное дыхание растений результатом действия ферментов, подобных оксидазам?

За разрешение этого вопроса взялись работавший в Женеве русский химик А.Н. Бах, швейцарский ботаник Шода и два русских ботаника, работавших в Петербурге, профессора В.И. Палладин и С.П. Костычев.

Бах как химик разрабатывал, главным образом, вопросы тонких механизмов окислительных процессов, происходящих при дыхании. Путь к познанию химизма дыхания он видел в изучении так называемого медленного горения, или произвольного окисления.

Бах считал, что эти процессы протекают при обыкновенной температуре и не нуждаются в резкой активации кислорода путем расщепления его молекулы на свободные атомы. Это утверждение противоречило мнению крупнейших научных авторитетов того времени, утверждавших, что при всякой реакции окисления в организме происходит полный распад молекулы кислорода на два атома.

Бах указывал, что разложение молекулы кислорода на атомы требует слишком больших затрат энергии, которые не наблюдаются в физиологических реакциях окисления. По мнению Баха, в физиологических процессах из молекулы кислорода образуется активная группа, в которой разорвана лишь одна из двух связей в молекуле, но атомы не образуются.

Способное к медленному окислению вещество присоединяет эту группу к себе. При этом неизбежно должны образоваться перекиси. Именно эта реакция первичного образования перекисей в процессе медленного окисления и составляет основное ядро теории Баха. Перекиси, как весьма неустойчивые и химически активные вещества, могут подвергаться дальнейшим изменениям. Правильность своей теории Бах подтвердил на сотнях примеров и фактов, как известных до него, так и полученных им самим экспериментально.

История современного учения о дыхании растений неразрывно связана с именем академика В.И. Палладина.

В годы первого петербургского периода работы Палладин исследовал ферментативную природу дыхательного процесса. Палладин показал, что и анаэробная, и аэробная фазы дыхания обеспечиваются специфическими ферментами, последовательно перерабатывающими продукты дыхания. Итоги работ этого периода изложены в монографии В.И. Палладина «Дыхание как сумма ферментативных процессов» (1907).

На этом этапе исследовательской деятельности Палладин применил оригинальную методику исследований. Замораживая цельные органы растений при температуре минус 15–20 °С, он показал, что даже в замороженных, т.е. убитых, клетках работа ферментов, а следовательно и дыхательные процессы, продолжаются, хотя и с отклонением от нормы. Тем самым Палладину удалось сорвать завесу таинственности с процесса дыхания, который трактовался виталистами как специфический жизненный акт, как одно из важных проявлений пресловутой «жизненной силы».

Продолжая изучение ферментов специфических для реакций окисления, Палладин задумался над обстоятельством, тогда еще не обратившим на себя внимание западно-европейских физиологов: окислительная способность известных к тому времени ферментов (оксидаз и пироксидаз) была совершенно недостаточной для реакций прямого окисления их основного субстрата – углеводов. Следовательно, помимо оксидаз в клетках растений должны содержаться какие-то другие вещества, являющиеся посредниками в передаче кислорода основному дыхательному материалу.

Палладин обратил внимание на так называемые хромогены клеточной плазмы, которые он считал дыхательными пигментами. Дыхательные пигменты, по мысли Палладина, подобно гемоглобину крови, являются переносчиками кислорода, воспринимая его при содействии ферментов (оксидаз) и перенося далее к дыхательному материалу.

Основы своей теории дыхательных пигментов Палладин изложил в получившей широкую известность на Западе статье с сенсационным названием «Кровь растений». Однако последующие исследования, проведенные ученым в последние годы жизни, заставили его пересмотреть всю теорию дыхательного процесса.

Для объяснения новых фактов и наблюдений Палладину пришлось свою теорию «поставить на голову». Хромогены оказались факторами не окислительных, а, наоборот, восстановительных процессов. Публично признать неправильность своих недавних утверждений мог только человек, ставивший научную истину, выше самолюбия. Палладин нашел в себе мужество разрушить здание научной теории, построение которой отняло у него свыше 10 лет жизни.

Схема процессов дыхания и брожения у растений

Вот что рассказывает об этом великом переломном моменте в развитии учения о дыхании растений ближайший ученик Палладина профессор С.Львов.

«Исходя из тех соображений, что дрожжи продолжают в присутствии кислорода вести распад сахаров по бродильному руслу лишь потому, что они лишены окислительного аппарата и, в частности, дыхательных хромогенов, Палладин предложил мне использовать соки, отжатые из растений, богатых хромогенами (шампиньоны, свекла и т. п.), и проследить, не вызовет ли добавка их к бродильной среде поворота процесса от брожения к дыханию.

Ожидаемого эффекта не получилось, но при производстве опытов бросилось в глаза неожиданное явление, что в период активного брожения черная и бурая окраски от добавочных соков быстро светлели, особенно в анаэробных условиях, т.е. хромогены вели себя совершенно аналогично метиленовой синьке. Иначе говоря, хромогены являются отнюдь не переносчиками кислорода, подобно гемоглобину, как полагал раньше Палладин, а переносчиками водорода. Они активизируют не кислород воздуха при помощи оксидаз, а водород дыхательного субстрата при помощи редуктаз. Дыхательный материал окисляется в первой стадии не в силу того, что он воспринимает доходящий до него активизированный кислород, а в силу того, что от него отщепляется активизируемый при помощи редуктаз и дыхательных хромогенов водород. Дыхательные хромогены должны быть переименованы в водородные акцепторы.

Все эти столь привычные для нас теперь представления в тот момент впервые получили свое зарождение. Я хорошо помню, с каким волнением присматривался Палладин к каждому новому моему опыту, ожидая его результатов. Длительные с ним беседы, во время которых зарождались новые понятия, естественно расширяли и мои горизонты и заполняли душу тем научным энтузиазмом, которым всегда горел Палладин.

Доклад об этой работе в научном обществе он предложил сделать мне самому, указывая, что такое выступление весьма полезно для начинающего научного работника, поскольку подготовка к докладу побудит меня еще глубже продумать всю проблему и активизирует дальнейшую работу…

Я помню период, когда Палладин, в отступление от своей обычной нормы, стал несколько реже появляться в лаборатории. При встречах в беседах он, особенно сосредоточенный и нервновозбужденный в это время, несколько раз упоминал при мне, что он дома, в спокойной обстановке, занят обдумыванием новой теории дыхания. Вскоре она была окончательно оформлена и предложена на суд и внимание товарищей по науке. Это и была та знаменитая теория дыхания, кратко формулированная в виде двух уравнений, которая произвела полный переворот в обычном понимании дыхательного процесса и теперь вошла в основные руководства по физиологии растений…