Первые попытки экспериментально решить вопрос о том, за счёт чего строят свои ткани растения, сделал голландский естествоиспытатель Ян ван Гельмонт (1629). Выращивая в течение 5 лет ивовую ветвь в горшке со взвешенной почвой, он установил, что за время опыта вес ветви увеличился в 30 раз, тогда как вес почвы почти не изменился. Гельмонт пришёл к заключению, что основной источник питания растения не почва, а вода. В конце 17 в. было установлено наличие у растений пола. В 1727 англичанин С. Гейлс обнаружил передвижение веществ и воды по тканям растения. Важнейшую роль в последующем развитии физиологии растений и всего естествознания в целом сыграло открытие англ. химика Джозефа Пристли, который установил, что зелёные растения в ходе своей жизнедеятельности изменяют состав воздуха, возвращают ему способность поддерживать горение и сохранять жизнь животных (1771). Это явление получило в дальнейшем название фотосинтеза. Впервые идею о воздушном питании растений высказал в 1753 М. В. Ломоносов, который отметил, что тучные деревья, растущие на бедном питательном веществами песке, не могут получить через корни необходимого количества питательных веществ, и сделал вывод, что растения получают питание через листья из воздуха. Работы голл. естествоиспытателя Я. Ингенхауза (1779) и особенно швейц. учёных Ж. Сенебье и Н. Т. Соссюра (конца 18 начала 19 вв.), а позднее нем. учёного Ю. Р. Майера, французского агрохимика Ж. Б. Буссенго (1868) и др. позволили расшифровать отдельные стороны фотосинтеза как процесса усвоения углекислого газа и воды, происходящего с выделением кислорода при обязательном участии света. Большое влияние оказали работы французского. учёного А. Лавуазье по химии горения и окисления (177 484). Особенно бурно развивались работы в области почвенного питания растения. Немецкий учёный А. Тэер сформулировал гумусовую теорию (181 019), в которой решающую роль в питании растений отводил органическому веществу почвы. В 40-х гг. 19 в. на смену гумусовой теории питания растений пришла минеральная теория нем. химика Ю. Либиха, в которой подчёркивалась роль минеральных элементов почвы в корневом питании растений. Буссенго и немецкий учёный Г. Гельригель выявили специфические особенности бобовых растений как азотфиксаторов, а русский ботаник М. С. Воронин в 1866 доказал, что клубеньки, образующиеся на корнях этих растений, имеют бактериальную природу. Большую роль в развитии физиологии растений в 19 в. сыграли немецкие учёные Ю. Сакс, В. Пфеффер, австрийские ботаники Ю. Визнер, Х. Молиш, чешские учёные Б. Немец и Ю. Стокласа, исследователи ряда других стран, 2-я половина 19 в. ознаменовалась важными исследованиями К. А. Тимирязева о роли хлорофилла в процессе фотосинтеза.
Большой вклад в развитие учения о фотосинтезе внесли советские ботаники А. А. Рихтер, открывший явление адаптивных изменений качественного состава пигментов фотосинтеза, Е. Ф. Вотчал, детально изучивший взаимосвязь фотосинтеза с водообменом растений, Ф. Н. Крашенинников, который, используя методы калориметрии, первый доказал, что наряду с углеводами при фотосинтезе образуются соединения другие химической природы. Е. Ф. Вотчал был одним из основоположников украинской школы физиологов растений, к которой принадлежали В. Р. Заленский, раскрывший роль сосущей силы как решающего регулятора водного баланса растения. Во 2-й половине 19 в. и начале 20 в. введён термин «обмен веществ» применительно к растениям ввёл русский ботаник А. С. Фаминцын (1883). Русский биохимик А. Н. Бах в 189 697 создал перекисную теорию биологического окисления, являющуюся фундаментом современной теории радикалов. В. И. Палладии (1912) обосновал представления о биологическом окислении, в основе которого лежит дегидрирование, как об одном из основных этапов дыхания, что в дальнейшем получило развитие в работах немецкого учёного Г. Виланда. Существенный вклад в изучение дыхания и др. процессов внёс С. П. Костычев. Немецкий биохимик О. Варбург открыл роль железа как структурного элемента ферментов, связанных с биологическим окислением.
Большое значение имели работы Прянишникова и его школы в области фосфорного и калийного питания растений, известкования почв и во многих других областях физиологии минерального питания. Г. Г. Петров детально изучил процессы метаболизма азота в растении в зависимости от условий освещения, И. С. Шулов создал ряд вариантов вегетационного, с помощью которых он доказал способность корней растений ассимилировать органические соединения, в том числе и белковые соединения, Ф. В. Чириков исследовал физиологические особенности растений, различающихся по способности усваивать труднорастворимые формы фосфатов почвы. В области водообмена и засухоустойчивости растений фундаментальные работы принадлежат Н. А. Максимову. На основе работ в области физиологии микроорганизмов, среди которых особое место принадлежит открытию С. Н. Виноградским хемосинтеза (1887), стали всё более четко вырисовываться закономерности круговорота отдельных элементов в природе.
Т. о. фотосинтез и дыхание представляют собой две стороны единого процесса обмена веществ и энергии. Большую роль в изучении этих проблем физиологии растений сыграли работы ряда советских и зарубежных учёных немецких О. Варбурга, Г. Виланда, английского Д. Кейлина, шведского Х. Теорелля, английского Х. А. Кребса, венгерского А. Сент-Дьёрдьи, советскиого Я. О. Парнаса, Д. М. Михлина, фьериканского М. Гиббса и др.
Вплоть до начала 20 столетия исследования физиологических процессов осуществлялись главным образом аналитическими, количественными методами. Так, критериями при изучении процессов фотосинтеза служили количество ассимилированной CO2, выделенного O2. В работах по дыханию внимание концентрировалось на определении поглощённого O2 и выделившейся CO2. В работах по корневому питанию изучалось количество поглощённых минеральных элементов, влияние на эти процессы содержания в почве неорганических и органических соединений и т. д.
Однако в течение ряда десятилетий исследования процессов почвенного питания проводились вне связи с процессами воздушного питания, процессы обмена веществ отрывались от процессов обмена энергии [10].
Элементы питания растений
В составе растений обнаружены почти все существующие на Земле химические элементы. У высших наземных растений различают воздушное, или листовое, питание и почвенное, или корневое, питание.
Потребность растительного организма в различных элементах неодинакова; наибольшая в кислороде и водороде. Это объясняется тем, что живое растение на 8090% состоит из воды, т. е. из кислорода и водорода в отношении 8: 1. Основу сухого вещества растения наряду с углеродом (45%) составляют также кислород (42%) и водород (67%). На долю элементов минерального питания, среди которых преобладают азот и калий, приходится всего 57% сухого вещества растения. Ни один элемент питания не может быть заменен другим (так называемый принцип незаменимости питательных элементов). Так, углерод вместе с водородом и кислородом составляет основу всех молекул органических соединений.
К макроэлементам питания растений относятся азот, фосфор, калий. Мезоэлементы это магний, кальций, сера. Железо, медь, марганец, цинк, бор, молибден представляют микроэлементы питания растений.
Обнаружены в организмах, но нет данных о среднем содержании: Не, Ne, Ar, Sc, Kr, Nb, Rh, Pd, In, Те, Хе, Та, Tl, Bi, Th. He обнаружены с достоверностью Ru, Hf, Re, Os, Ir, Po, Ac, Tc, Af, Fr (последние три не обнаружены и в земной коре).
Кларки живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы элементов. Живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газообразные соединения, воздушных мигрантов.
Из водных мигрантов в организмах преобладают наиболее подвижные: Са больше, чем Аl и Fe, К больше, чем Si и т. д. (в земной коре наоборот). В живом веществе в целом мало U, Hg, W и других ядовитых элементов, хотя они и образуют растворимые соединения. Относительно низко содержание Zr, Ti, Та и других малоподвижных элементов.
Кларки концентрации элементов в живом веществе называются биофильностью. Наибольшей биофильностью обладает С (7800), менее биофильны N (160) и Н (70). Близки по биофильности анионогенные элементы — 0 (1,5), С1 (1,1), S (1), Р (0,75), В (0,83), Вг (0,71) и т. д. Наименее биофильны Fe (0,002) и А1 (0,0006), т. е. живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газообразные и растворимые соединения.
