История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К. А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в. Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. В 1945 г. А. П. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода "обычной" воды и воды, синтезированной ими из "обычного" водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2О с разным содержанием изотопа 18О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли изотопа18О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.
Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе
Голландский микробиолог К. Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:
→CO2 + 2H2 A свет + H2 O + 2А,
где Н2 А - окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2 А - это Н2 О, а 2А - это О2.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель и восстановитель Затем первичный восстановитель восстанавливает СО2, а первичный окислитель участвует в реакции, в которой высвобождается О2 и снова образуется Н2 О.
Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США. А. П. Виноградов и Р. В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16О: 18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода.
Пигменты - важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М. С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 - 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла – а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции.
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И. П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма - этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а и хлорофилла b, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р. Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола.
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А. А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная ("красная") форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении.