Тема 3: Єдність хімічного складу організмів. Особливості використання окремих хімічних речовин, хімічний склад продуктів харчування.

Живі організми містять майже всі відомі в природі хімічні елементи. Вони, на відміну від неживої природи, мають відносно стале співвідношення цих елементів, які за процентним вмістом у клітині поділяють на макро-, мікро- та ультрамікроелементи. Ці елементи входять до складу органічних і неорганічних сполук. Серед неорганічних сполук особливе місце належить воді, яка становить у середньому 60-70% їхньої маси.

Більшість сполук живих організмів складають органічні речовини. Основні класи цих речовин - вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти та ліпіди.

Вуглеводи - клас органічних сполук, більшість яких складається з атомів Карбону, Гідрогену та Оксигену. Серед вуглеводів розрізняють моно-, оліго- та полісахариди. Основні функції вуглеводів - енергетична і будівельна. Вуглеводи можуть відкладатись у клітинах про запас у вигляді полісахаридів.

Ліпіди - гідрофобні органічні сполуки. Серед них найпоширеніші - жири. Вони здійснюють теплоізоляційну, захисну та будівельну функції, беруть участь у регуляції життєдіяльності організмів; при їхньому окисненні вивільняється значна кількість енергії.

Провідна роль серед органічних сполук належить білкам. Білки - високомолекулярні біополімери, мономерами яких є амінокислоти. Вони мають різні рівні структурної організації (первинний, вторинний, третинний і четвертинний). їх поділяють на прості (протеїни) та складні (протеїди). Під дією різних факторів білки здатні змінювати свою структуру та властивості. Цей процес може мати як оборотний, так і необоротний характер. Білки виконують в організмах живих істот різноманітні функції: будівельну, захисну, регуляторну, сигнальну, рухову, енергетичну, транспортну тощо. До особливої групи білків належать ферменти, що виконують каталітичну функцію.

Важливе значення в організмах живих істот належить різним групам біологічно активних речовин: вітамінам, гормонам, нейрогормонам, фітогормонам тощо.

Вітаміни мають різну хімічну природу, беруть участь майже в усіх біохімічних та фізіологічних процесах. Відсутність або нестача вітамінів в організмі, так само як і їхній надлишок, спричинюють тяжкі захворювання, пов'язані з порушеннями обміну речовин.

Гормони, нейрогормони і фітогормони — органічні сполуки різної хімічної природи. Гормони виділяють у кров, лімфу або порожнинну рідину тварин залози внутрішньої секреції, а нейрогормони — особливі нервові клітини. Фітогормони утворюються в певних клітинах грибів і рослин. Подібно до гормонів та ней-рогормонів, вони здійснюють гуморальну регуляцію різноманітних процесів життєдіяльності.

У клітинах деяких видів рослин виявлено особливі біологічно активні сполуки — алкалоїди, більшість з них отруйна для людини і тварин. Мікроорганізми здатні виробляти антибіотики, які пригнічують розвиток інших видів мікроорганізмів або вбивають їх. Антибіотики і деякі алкалоїди застосовують у медицині.

Нуклеїнові кислоти - біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Розрізняють два типи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. Дволанцюгова молекула ДНК зберігає спадкову інформацію про будову білків або молекул РНК. Крім того, ДНК забезпечує передачу цієї інформації дочірнім клітинам під час поділу материнської. Ділянку молекули ДНК, яка несе інформацію про структуру певного білка або молекули нуклеїнової кислоти, називають геном.

Стабільність структури молекул ДНК у особин певного виду забезпечує сталість їхньої будови та процесів життєдіяльності. Молекули РНК, на відміну від ДНК, здебільшого складені з одного ланцюга. Існує три типи РНК: інформаційна (іРНК), транспортна (тРНК) та рибосомна (рРНК).

Продукти, використовувані людиною в їжу, містять різні речовини, котрі підрозділяють на неорганічні і органічні. До неорганічних відносяться вода і мінеральні речовини, до органічних — білки, жири, вуглеводи, вітаміни, ферменти, ароматичні речовини. Кажна із цих речовин має для організму людини важливе значення і міститься в продуктах в різних кількостях (див. табл. 1). Якщо мати відомості про хімічний склад продукту, можна вирахувати його енергетичну цінність. Так, при окисленні 1 г жиру утворюється 37,7 кДж енергії, 1 г білку — 16,7, 1 г вуглеводу — 15,7 кДж. Наприклад, знергетична цінність 100 г сиру складе 1463,4 кДж, а в 100 г сиру міститься 28,5 г жиру, 20 — білків і 3,5 г вуглеводів.

Приклад: 1463,4 • 28,5 • 37,7 + 20 • 16,7 + 3,5 • 15, 7 кДж. Це теоретична енергетична цінність, проте практична цінність 1 г жиру декілька менше з-за неповної його засвоюваності (білків і вуглеводів).

Для задоволення енергетичної потреби організму людини в різних речовинах в добовий раціон необхідно включати різноманітні харчові продукти. Вода є основною складовою частиною всіх продуктів. Міститься в двох формах зв'язку — вільною і зв'язаною. Вільна вода знаходиться в клітинному соку, макрокапілярах і на поверхні продуктів. Вона легко віддаляється при сушці та заморожуванні. Зв'язана вода знаходиться в макрокапілярах, входить до складу молекул, пов'язана з колоїдами. Ця волога майже не віддаляється при сушці. Більш псуються продукти, в котрих міститься у великих кількостях вільна вода. Наприклад, в плодах, овочах активніше протікають мікробіологічні і біохімічні процеси. Організму людини щодня потрібно 2—2,5 л води. Вона є универсальннм розчинником, входить до складу всіх тканин організму.

Продукті, що містять незначну кількість вологи, добре зберігаються і транспортуються, а ті, що мають великий її вміст (плоди, овочі) при втраті води в'януть, якість їх знижується. Вода, використовувана для виробництва харчових продуктів, повинна відповідати певним санітарним вимогам.

Мінеральні речовини містяться у всіх харчових продуктах. Знаходяться у вигляді солей органічних і мінеральних кислот і складають 0,03—3% від маси продукту. Мінеральні речовини грають важливу роль в життєдіяльності організму людини, входять до складу вітамінів, провітамінів, ферментів, активно беруть участь в процесах обміну. Залежно від кількісного вмісту в харчових продуктах мінеральні речовини підрозділяють на три групи: макроелементи, мікроелементи і ультрамікроелементи.

До макроелементів відносять натрій, калій, кальцій, фосфор, залізо і ін. Так, калію багато в картоплі; кальцію — в молоці; фосфору — в горіхах, хлібі, м'ясі; залоза — в яйцях, яблуках.

До микроелементів відносять бром, йод, кобальт, молібден, цинк і др.; до ультрамікроелементів — уран, радій, миш’як. Вони містяться в харчових продуктах в дуже малих дозах або у вигляді слідів. Цинку і кобальт багато в м'ясі, рибі, овочах; йоду — в морській капусті, хурмі.

Недолік окремих мінеральних елементів в організму людину викликає розлад нервової системи, приводить до виникнення деяких захворювань. Проте наявність так званих тяжких металів (олова, свинцю і ін.) в продуктах питання може привести до отруєння і тяжких захворювань.

По наявності зольних елементів можна судити про якість деяких продуктів. Так, за змістом золи роблять висновок про ґатунок борошна, в консервах критерієм безпеки є низький зміст олова, мідь. Вуглеводи входять до складу багатьох харчових продуктів. Складають до 80% сухих речовин рослин. Деякі продукти — цукор, крохмаль — є майже чисті вуглеводи. Утворюються в процесі фотосинтезу рослин в присутності хлорофілу з вуглекислого газу і води під дією сонячного світла. У організмі людини вуглеводи грають роль джерела енергії. Добова потреба 70—150 р. При окисленні 1 г вуглеводів виділяється 15,7 кДж енергії.

Вуглеводи харчових продуктів підрозділяють на три класи: моносахариди, (арабіноза, рибоза, глюкоза, фруктоза і ін.), олігосахариди (сахароза, мальтоза, лактоза і ін.) і полісахариди (крохмаль, глікоген, інулін, клітковина). Частина з них володіє солодким смаком, тому їх і звуть цукрами. При зберіганні за рахунок окислення і перетворень вуглеводів відбувається втрата маси плодів і овочів, змінюється їх консистенція, смак. Вуглеводи активно беруть участь в обмінних реакціях, диханні. Так, рибоза і дезоксирибоза входять до складу рибонуклеїнових кислот, беруть участь в передачі спадковій інформації і синтезі білків. У багатьох продуктах містяться глюкоза і фруктоза (мед, плоди, ягоди). У промисловості глюкозу і фруктозу отримують гідролізом крохмалю.

Солодкість цукрів неоднакова: солодшим вуглеводом є фруктоза, потім сахароза і глюкоза. При однаковому приблизно змісті цукру в гарбузі і кавуні в останньому він солодший, оскільки в ньому переважає фруктоза, а в гарбузі — сахароза. Багато сахарози в цукровому буряці (24%), цукровому очереті (26%), дині (8,5%). Цукор-пісок майже повністю (на 99%) складається з сахарози. Надлишкове споживання організмом людини вуглеводів небажано, оскільки вони перетворюються на жир.

До складу молока тварин входить молочний цукор (лактоза). На властивості лактози здатної під впливом молочнокислих бактерій перетворюватися на молочну кислоту, заснований процес отримання молочнокислих продуктів. У патоці знаходиться мальтоза (солодовий цукор), в грибах і дріжджах — тригалоза (грибний цукор); до складу глікозиду амігдалина входить генциобіоза; у горосі, цукровому буряці є рафіноза і стахіоза.

З полісахаридів - крохмаль, котрий служить речовиною, що запасається, в бульбах, корінні і зерні. Так, в зернових його міститься від 65 (жито) до 80% (рис), в картоплі — до 25%. У воді крохмаль не розчиняється, а набухає. З йодом він дає синіє фарбування. На гідролізі крохмалю заснований процес отримання патоки (суміш декстрину, мальтози і глюкози). Крохмаль використовують в кондитерському і ковбасному виробництві, для отримання спирту, в кулінарії.

Клітки рослин складаються в основному з клітчатки (целюлози). У зерні її міститься до 2,5%, в плодах — до 2 і овочах — до 3%. Клітковина нерозчинна у воді, шлунком людини не перетравлюється, але підсилює перистальтику кишковика, виводить з організму холестерин і попереджує розвиток атеросклерозу. Пектинові речовини знаходяться в рослинних продуктах (яблука, слива, буряк і ін.) і складають не більше 2,5%. Процес розм'якшення плодів пов'язаний із зміною форми пектинових речовин, тобто переходом протопектину в пектин. Властивість пектинів перетворюватися у присутності кислот і цукрів в желе використовують для отримання мармеладу, джему, пастили. Пектинові речовини мають протипроменеві властивості і зменшують наслідки радіаційного опромінювання.

До вуглеводоподібних речовин відносять глікозиди. Вони беруть участь в утворенні кольору, аромату і смаку. Багато хто з глікозидів має гіркий смак і різкий запах. Це амигдалін — в ядрах гіркого мигдаля, лімонен і гесперидин — в цитрусових, соланін — в картоплі.

Білки. Найважливішою складовою частиною їжі є білки, що володіють великою енергетичною цінністю, беруть участь в побудові тканин. При окислень 1 г білків виділяться 16,7 кДж енергії. Щоденна потреба організму в білках складає 100—120 р. У харчових продуктах кількість білків різна. У сої їх міститься 33— 44%, в м'ясі — 14—21, в овочах— 0,5—6,5%. Під дією високих температур, сильних кислот і лугів, солей метал-лов відбувається необоротна коагуляція (денатурація) білків.

По будові білки ділять на прості і складні. До пробачимо білкам відносяться: глобуліни, альбуміни, глютеліни і ін. Альбуміни і глобуліни містяться в яйцях (овоальбумін і овоглобулін), глютелін — в злакових рослинах.

До складних білків відносяться нуклеопротеїди, глюкопротеїди, хромопротеіди. Нуклеопротеїди містять рибонуклеїнові (РНК) і дезоксирибонуклеїнові (ДНК) кислоти, що беруть участь в процесі синтезу білків. Представники хромопротеїдів — гемоглобін крові, міоглобін м’язів.

Жири. Як складова частина живих кліток, жири повинні поступати з тваринною або рослинною їжею. Вони є джерелом енергії, при окислень 1 г жиру виділяться 37,7 кДж енергії. Добова потреба в жирах — 80—100 р. Разом з жиром в організм поступають і супутні жиророзчинні вітаміни (А, Т>, Е, До). За походженням жири підрозділяють на тваринне і рослинне; по консистенції — на рідкі і тверді. До твердих рослинних жирів відносяться кокосове масло, пальмове, какао-масло, до рідких — соняшникове, бавовняне, оливкове, льняне; до твердих тваринних жирів — жир яловичий, баранячий, свинячий, коров'яче масло, до рідких — жир риб і морських тварин.

Рідкий стан рослинних жирів пояснюється вмістом в них великої кількості ненасичених жирних кислот. У продуктах є різна кількість жирів. Так, в рослинному маслі їх 99,6%, вершковому — 80—87, в молоці — 3—4%. Загальною властивістю жирів є здатність розчинятися в органічних і неорганічних розчинниках (сірковуглеці, хлороформі, бензині), розчиняти ароматичні речовини, а у присутності емульгаторів з водою утворювати стійкі емульсії типу майонезу щільність жирів 0,92—0,95 г/см3 (т. є. вони легше води). При нагріванні до 250—300°С руйнуються з виділенням летючих речовин. Жири здатні гідролізуватися, окислюватися, гідрогенізуватися, осалюватися. Псування жирів уповільнює додавання антиоксидантів. Всі жири засвоюються по-різному і залежить це від їх температури плавлення. Чим вона нижча за температури тіло людини, тим легше жир засвоюється. Так, температура плавлення коров'ячого масла 26—32°С, яловичого жиру — 42—52, свинячого — 33—46, баранячого — 44—55°С.

До речовин, супутніх жирів, відносяться фосфатиди (у яєчному жовтку їх до 10%), стерини (холестерин і ергостерин) і віск. Стерини під дією ультрафіолетових променів перетворюються в організмі у вітамін В. Воск покриває поверхню плодів і овочів, оберігаючи їх від проникнення мікроорганізмів і від випаровування вологи.

Органічні кислоти. Харчовим продуктам надають смаку і покращують зберігання органічні кислоти. Найчастіше в продуктах зустрічаються яблучна, лимонна, молочна, уксусна, щавлева кислоти з переважанням однієї з них. В процесі переробки і зберігання продуктів кислотність змінюється. Накопичується вона при молочнокислому і уксуснокислому бродінні (квашенні, отриманні винного оцту), а під час зберігання зменшується в плодах і овочах. Підвищений вміст кислот в молоці, соках, вині, пиві і в інших продуктах свідчить про їх несвіжість.

Продукті містять різну кількість кислот: яблоки — 0,5—1,5%, лимони — 5—7, оцтова есенція — 80%. У яблуках переважає яблучна кислота, в лимонах і картопля — лимонна. У дикорослих ягодах є саліцилова і бензойна кислоти, що володіють антисептичними властивостями. Кислоті використовують в кондитерській, безалкогольної і лікеро-горілчаній промисловості для поліпшення смаку продукту.

Вітаміні — речовини, невелика кількість котрих здатна забезпечувати нормальний перебіг фізіологічних і біохімічних процесів в організмі. Організм людини не синтезує великої кількості вітамінів, тому рослинні і тваринницькі продукти є основними джерелами. При нестачі вітамінів виникає захворювання — авітаміноз, при надлишку — гіпервітаміноз.

 

Тема 4: Хемосинтез.

Хемосинтезуючі організми (хемотрофи) для синтезу органічних сполук використовують енергію, яка вивільнюється під час перетворення неорганічних сполук. До цих організмів належать деякі групи бактерій: нітрифікуючі, безбарвні сіркобактерії, залізобактерії тощо.

Нітрифікуючі бактерії послідовно окиснюють аміак (NH3) до нітритів (солі HNO2), а потім — до нітратів (солі HNО3). Залізобактерії одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покладів залізних руд. Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень та інші сполуки сірки до сірчаної кислоти (H2SO4).

Процес хемосинтезу відкрив у 1887 році видатний російський мікробіолог С.М.Виноградський. Хемосинтезуючі мікроорганізми відіграють виняткову роль у процесах перетворення хімічних елементів у біогеохімічних циклах. Біогеохімічні цикли (біогеохімічний колообіг речовин) — це обмін речовинами та забезпечення потоку енергії між різними компонентами біосфери, внаслідок життєдіяльності різноманітних організмів, що має циклічний характер.

Тема 5: Фотосинтез

Фотоси́нтез (від грец. φωτο- — світло та грец. σύνθεσις — синтез, сукупність) — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу та води з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів: (хлорофіл у рослин, хлорофіл, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), часто з виділенням кисню як побічного продукту. Це надзвичайно складний процес, що включає довгу послідовність координованих біохімічних реакцій. Він відбувається у вищих рослинах, водоростях, багатьох бактеріях, деяких археях і найпростіших — організмах, відомих разом як фототрофи. Сам процес відіграє важливу роль у кругообігу вуглецю у природі.

Узагальнене рівняння фотосинтезу (брутто-формула) має вигляд:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Типи фотосинтезу

Розрізняють оксигенний і аноксигенний типи фотосинтезу. Оксигенний найбільш поширений, його здійснюють рослини, ціанобактерії і прохлорофіти. Аноксигенний фотосинтез проходить у пурпурних, деяких зелених бактеріях та геліобактеріях.

Виділяють три етапи фотосинтезу: фотофізичний, фотохімічний та хімічний. На першому етапі відбувається поглинання фотонів світла пігментами, їх перехід в збуджений стан і передача енергії до інших молекул фотосистеми. На другому етапі відбувається розділення зарядів в реакційному центрі, перенесення електронів по фотосинтетичному електронотранспортному ланцюзі, що закінчується синтезом АТФ і НАДФН. Перші два етапи разом називають світлозалежною стадією фотосинтезу. Третій етап відбувається вже без обов'язкової участі світла і включає біохімічні реакції синтезу органічних речовин з використанням енергії, накопиченої на світлозалежній стадії. Найчастіше в якості таких реакцій розглядається цикл Кальвіна і глюконеогенез, утворення цукрів і крохмалю з вуглекислого газу повітря.

Фотосинтез рослин здійснюється в хлоропластах, відособлених двомембранних органелах клітини. Хлоропласти можуть бути в клітинах плодів, стебел, проте основним органом фотосинтезу, анатомічно пристосованим до його здійснення, є листя. У листку найбагатша хлоропластами тканина — палісадна, або фотосинтезуюча/стовпчаста/хлорофілоносна, паренхіма. У деяких сукулентів з виродженим листям (наприклад, кактусів) основна фотосинтетична активність пов'язана із стеблом.

Світло для фотосинтезу захоплюється повніше завдяки плоскій формі листка, що забезпечує велике відношення поверхні до об'єму. Вода доставляється з кореня розвиненою мережею судин (прожилків листка). Вуглекислий газ надходить частково за допомогою дифузії через кутикулу і епідерміс, проте велика його частина дифундує в листя через продихи і по листку через міжклітинний простір. Рослини, що здійснюють С₄ і CAM фотосинтез, сформували особливі механізми для активної асиміляції вуглекислого газу.

Внутрішній простір хлоропласта заповнений безбарвною речовиною (стромою) і пронизаний мембранами (ламелами), які, з'єднуючись один з одним, утворюють тилакоїди, які у свою чергу групуються в стопки, так звані грани. Внутрішньотилакоїдний простір відокремлений і не сполучається з рештою строми, передбачається також, що внутрішній простір всіх тилакоїдов сполучений між собою. Світлові стадії фотосинтезу повязані з мембранами, автотрофна фіксація вуглекислого газу відбувається в стромі.

У хлоропластах є свої ДНК, РНК, рибосоми (70S типу), йде синтез білка (хоча цей процес і контролюється з ядра). Вони не синтезуються знов щоразу, а утворюються шляхом поділу попередніх. Все це дозволило вважати їх попередниками вільних ціанобактерій, що увійшли до складу еукаріотичної клітини в процесі симбіогенезу.

Ціанобактерії та інші фотосинтетизуючі бактерії та археї, таким чином, самі виконють функції хлоропластів рослин, і фотосинтетичний апарат їх клітин не винесений в особливу органелу. Їхні тилакоїди, проте, не утворюють стопок, а формують різні складчасті структури (у однієї ціанобактерії Gloeobacter violaceus тилакоїди відсутні зовсім, а весь фотосинтетичний апарат знаходиться на цитоплазматичній мембрані, що не створює заглибин). У них і в рослин також є відмінності в світлозбираючому комплексі (див. нижче) і в складі пігментів.

В ході світлової стадії фотосинтезу утворюються високоенергетичні продукти: аденозинтрифосфат, що служить в клітині джерелом енергії, і НАДФН, що використовується як відновник. Як побічний продукт виділяється кисень.

У темновій стадії за участю АТФ і НАДФН відбувається відновлення CO₂ до глюкози. Хоча світло не потрібне для здійснення даного процесу, воно бере участь у його регуляції.

Аноксигенний фотосинтез

Аноксигенний фотосинтез властивий деяким бактеріям та археям (наприклад, пурпурним, деяким зеленим бактеріям та геліобактеріям тощо). Ці організми не використовують води у якості відновника, тому кисень (O₂) не є побічним продуктом синтезу. Замість води використовуються як сірководень (H₂S) (дивіться малюнок 2) або йони двовалентного заліза (Fe⁺⁺), унаслідок чого на виході виникають елементарна сірка (S) і тривалентні іони заліза (Fe⁺⁺⁺) відповідно, або молекулярний водень (H₂). Наприклад, фотосинтез з використанням H₂S у якості відновника проходить такі стадії:

CO₂ + 2 H₂S → (CH₂O) + 2 S + H₂O

Тут першим продуктом фотосинтезу виступає фіктивна хімічна сполука CH₂O.

Значення фотосинтезу

Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії, фотосинтезуючі автотрофи використовують її для утворення органічних речовин з неорганічних, гетеротрофи існують за рахунок енергії хімічних зв'язків, запасеної автотрофами, вивільняючи її в процесах аеробного та анаеробного дихання. Енергія, отримувана людством при спалюванні викопного палива (вугілля, нафта, природний газ, торф), також є запасеною в процесі фотосинтезу.

Фотосинтез є головним методом залучення неорганічного вуглецю в біологічний цикл. Весь кисень атмосфери біогенного походження і є побічним продуктом фотосинтезу. Формування окиснювальної атмосфери повністю змінило стан земної поверхні, зробило можливою появу дихання, а надалі, після утворення озонового шару, дозволило життю вийти на сушу.

Вивчення фотосинтезу

Джозеф Прістлі — відкривач кисню та вуглецю, перший дослідник фотосинтезу, портрет роботи Озаяса Гамфрі

Перші досліди по фотосинтезу були проведені Джозефом Прістлі в 1770—1780-их роках, коли він звернув увагу на «псування» повітря в герметичній посудині свічкою (повітря переставало бути здатним підтримувати горіння, поміщені в нього тварини задихалися), що горіла, і «виправлення» його рослинами. Прістлі зробив висновок, що рослини виділяють кисень, необхідний для дихання і горіння, проте не відзначив, що для цього рослинам потрібне світло. Це показав незабаром Ян Інгенхауз.

Пізніше було встановлено, що, крім виділення кисню, рослини поглинають вуглекислий газ і за участю води синтезують на світлі органічну речовину. У 1842 Роберт Майер на підставі закону збереження енергії постулював, що рослини перетворюють енергію сонячного світла в енергію хімічних зв'язків. У 1877 Вільгельм Пфеффер назвав цей процес фотосинтезом.

Хлорофіл був вперше виділений в 1818 році П. Ж. Пелетьє і Жозефом Каванту. Розділити пігменти і вивчити їх окремо вдалося М. С. Цвєту за допомогою створеного ним методу хроматографії. Спектри поглинання хлорофілу були вивчені К. А. Тімірязєвим, він же, розвиваючи положення Майера, показав, що саме поглинені дозволяють підвищити енергію системи, створивши замість слабких зв'язків С-О і О-Н високоенергетичні С-С (до цього вважалося, що у фотосинтезі використовуються жовті промені, що не поглинаються пігментами листка). Зроблено це було завдяки створеному ним методу обліку фотосинтезу по поглиненому CO₂, в ході експериментів по освітленню рослини світлом різних довжин хвиль (різного кольору) виявилося, що інтенсивність фотосинтезу збігається із спектром поглинання хлорофілу.

Окислювально-відновну суть фотосинтезу (як оксигенного, так і аноксигенного) постулював Корнеліс ван Ніль. Це означало, що кисень у фотосинтезі утворюється повністю з води, що експериментально підтвердив в 1941 О. П. Виноградов в дослідах з ізотопною міткою. У 1937 Роберт Хілл встановив, що процес окиснення води (і виділення кисню), а також асиміляції CO₂, можна роз'єднати. У 1954—1958 Деніел І. Арнон встановив механізм світлових стадій фотосинтезу, а суть процесу асиміляції CO₂ була розкрита Мельвіном Кальвіном з використанням ізотопів вуглецю в кінці 1940-х, за цю роботу в 1961 йому була присуджена Нобелівська премія.

У 1955 була виділена і очищена Rubisco. С₄ фотосинтез був описаний Ю. С. Карпиловим в 1960 і М. Д. Хетчем и К. Р. Слеком в 1966.