Возникла задача разрешить это противоречие, что Тимирязев и сделал с беспримерным мастерством и тонкостью искусного экспериментатора. Прежде всего он подверг критике как теоретические предпосылки Дрепера, так и применяемые им методы. Желтые лучи действительно представляются нам наиболее яркими, но это чисто субъективное впечатление, основанное лишь на зрительной способности человека, тогда как решающее значение имеет тот запас энергии, которую они несут с собой; методика Дрепера неправильна. При получении лучей одного цвета, т. е. монохроматических лучей, солнечный свет обычно пропускают через узкую щель, а затем через призму. Дрепер пропускал свет через круглое отверстие диаметром в два сантиметра; при такой широкой щели спектр получается нечистый, и вместо монохроматических лучей получилось наложение одних лучей на другие.
Уже в первых опытах с листьями олеандра, где Тимирязев использовал метод светофильтров, пропуская свет через различно окрашенные жидкости, он получил результаты, резко противоречащие тому, что утверждал Дрепер: максимум фотосинтеза оказался за красным экраном, в красных лучах, проходящих через этот экран.
Последующие опыты Тимирязев ставил уже в выделенных монохроматических лучах, как это делал Дрепер, но с безупречной методикой: пучок солнечных лучей отражался от зеркала гелиостата, проходил через линзу, через щель, через вторую линзу и, наконец, через призму, а в полученном на экране изображении спектра в различных, отстоящих друг от друга, лучах устанавливались эвдиометры, т. е. градуированные пробирки, замкнутые ртутью, с находящимися в них отрезками листьев бамбука. Ширина щели при этом равнялась одному миллиметру, т. е. была в 20 раз уже, чем в опытах Дрепера.
Постановка такого опыта требовала исключительно высокого экспериментального искусства и была тогда под силу только Тимирязеву, мастерски владевшему физическими и химическими методами. Все отдельные части установки — и гелиостат, и эвдиометры, и методика газового анализа — были до тонкости разработаны им самим, Тимирязев как методист и экспериментатор был широко известен не только в России, но и за границей. Об этом свидетельствуют сконструированные им разнообразные приборы, полностью описанные его учеником, профессором Ф. Н. Крашенинниковым в статье «Приборы и установки К. А. Тимирязева…», многие из которых можно видеть теперь в квартире-музее Тимирязева. Об этом свидетельствуют и современники ученого. Так, химик Бертло в один из приездов Тимирязева в Париж говорил ему: «Каждый раз, что Вы приезжаете к нам… Вы привозите новый метод газового анализа, в тысячу раз более чувствительный».
Для того, чтобы проводить такие тонкие опыты, Тимирязев сконструировал аппаратуру, которая давала возможность производить анализ газовой смеси с точностью до 0,001 кубического сантиметра.
Результаты этих опытов были вполне тождественны с первыми: наибольшее разложение углекислоты совпадает с наибольшим поглощением хлорофиллом энергии, оба явления достигают своего максимума в красных лучах.
Этот вывод Тимирязев подтверждает и другим изящным опытом, в котором при помощи той же установки отбрасывает тонкую полоску спектра на обескрахмаленный (предварительно выдержанный в темноте) живой лист гортензии и, проявляя его через несколько часов раствором иода, получает наиболее интенсивное окрашивание, а следовательно, и наибольшее накопление крахмала в том же участке красных лучей, где происходит максимальное разложение углекислоты.
При помощи же специально сконструированного микроспектроскопа он получает в поле зрения микроскопа спектр с булавочную головку и, рассматривая хлорофилловые зерна живого листа в этом спектре, видит, что в красной и синей частях спектра хлорофилловые зерна делаются черными, поглощая свет, а в зеленой или крайней красной они остаются прозрачными, не поглощая света.
Все эти опыты Тимирязева не только устранили имевшееся в науке противоречие. Они принесли решение задачи, поставленной Майером и Гельмгольцем: лучи, поглощенные листом, его хлорофилловыми зернами, затрачиваются на химический процесс разложения углекислоты, на создание органического вещества, на превращение кинетической световой лучистой энергии в потенциальную химическую энергию органических продуктов фотосинтеза.
Вместе с тем получила объяснение и зеленая окраска растительности всего мира: зеленая окраска выработалась в процессе эволюции как приспособительное свойство к поглощению энергии наиболее активных красных лучей, ибо зеленый свет, как дополнительный к красному, лучше всего поглощает энергию красных лучей.
Но еще надо было объяснить, каким образом поглощение лучей хлорофиллом приводит к разложению не самого хлорофилла, а бесцветного вещества — углекислоты. Ведь фотохимические реакции происходят в том случае, если цвет самого вещества, подвергающегося воздействию, является дополнительным к цвету падающих лучей: желтая смесь газов хлора и водорода взрывается от синих лучей, а углекислота, на разложение которой затрачиваются солнечные лучи, бесцветна. Ответ на этот вопрос был найден Тимирязевым в открытиях по фотохимии Фогеля и Беккереля.
Фогель показал, что если к обыкновенной фотографической бромосеребряной эмульсии прибавить какое-либо цветное вещество, поглощающее такие лучи, к которым бромосеребряные соли сами по себе не чувствительны, то разложение их начнет происходить и в таких лучах. Дополнительное цветное вещество оказывает сенсибилизирующее действие на бромосеребряные соли, делая их более чувствительными к падающим лучам.
Беккерель продемонстрировал Тимирязеву следующий опыт. Он поместил несколько капель спиртового раствора хлорофилла на фотографическую пластинку и выставил ее на солнечный спектр: в красной части обозначалась абсорбционная полоса хлорофилла. Итак, разгадка была найдена: хлорофилл по отношению к углекислому газу, разлагающемуся в процессе фотосинтеза, является сенсибилизатором. После установления английским физиком Абнеем того факта, что сенсибилизатор сам частично должен разлагаться в поглощаемых лучах, Тимирязев предпринял новое исследование, в котором показал, что максимум разложения хлорофилла в растворах приходится на красные лучи, а в живых листьях обесцвечивания хлорофилла не наблюдается, так как одновременно происходит и его восстановление.
Для дальнейшего обоснования своего вывода о том, что существует связь между поглощением света хлорофиллом и разложением углекислоты, между затраченной силой и производимой работой, Тимирязев ищет второй максимум разложения углекислоты в синих лучах, ибо его спектральные исследования показали, что второй максимум поглощения хлорофилла лежит в синих лучах. Опыты приносят ожидаемый результат: если поглощение света в левой половине спектра по отношению к правой половине выражается в цифрах 100:70, то разложение углекислоты в этих участках спектра выражается цифрами 100:54.
Всеми этими опытами Тимирязев всесторонне показал, что оптическим и химическим сенсибилизатором зеленого листа является хлорофилл — основное звено, связывающее Солнце, лучистую солнечную энергию и жизнь на Земле.
Итак, задача, поставленная Майером и Гельмгольцем, была как будто решена, те опыты, о которых мечтал Гельмгольц, были выполнены. Дано также и объяснение зеленому цвету — эмблеме всего растительного царства в свете эволюционной теории Дарвина. Но решение задачи было неполным. Впереди оставалось еще самое трудное: нужно было иметь смелость выступить против мировые авторитетов физики и во всеуслышание заявить, что растение, выполняя свою космическую роль по улавливанию солнечной лучистой энергии для создания органического вещества на земной планете, в процессе эволюции приспособилось больше всего к улавливанию красных лучей, обладающих наибольшей тепловой энергией.
Такая смелость была нужна, ибо современная Тимирязеву физика учила, что наибольшим тепловым эффектом обладают лучи, лежащие за пределами видимого спектра, — инфракрасные лучи.