Фотосинтез

Сохранить в закладки
12794
11
Сохранить в закладки

Биолог Ольга Аверчева о появлении кислорода на Земле, функции хлоропластов и обеспечении питанием долгих космических миссий

Фотосинтез — это один из самых главных процессов на Земле. Он обеспечивает всю биосферу органическими веществами, которые употребляют в пищу живые существа, и кислородом. Фотосинтез — основной и на самом деле единственный источник кислорода на Земле. В атмосфере первичной Земли, еще до возникновения жизни, кислорода практически не было: он ушел на окисление компонентов земной коры и в свободном виде его практически не осталось.

 

Долгое время жизнь эволюционировала в бескислородной среде. И кислород появился снова примерно 2,5 миллиарда лет назад, когда цианобактерии, сине-зеленые водоросли, изобрели фотосинтез с выделением кислорода. Тогда это был побочный продукт фотосинтеза, который давал органические вещества водорослям, и живые существа ни для чего полезного его не использовали.

 

Кислород — сильный окислитель. Как только он появился в свободном виде, он сразу пошел окислять все, что видит вокруг. Когда он окислил океан и поверхность планеты, он взялся за живые организмы. И выяснилось, что кислород — это сильнейший яд, который вызвал то, что называют первой экологической катастрофой в истории Земли. Большинство микроорганизмов, населявшие тогда планету, вымерли, потому что не смогли противостоять этому страшному окислительному агенту.

Организмы, которые все-таки выжили и смогли научиться защищаться от кислорода, неожиданно обнаружили, что с его помощью можно извлекать энергию из пищи гораздо эффективнее, чем биохимическими путями. Таким образом появилось кислородное дыхание, которым сейчас пользуются практически все наземные живые организмы, в том числе животные и люди. Благодаря новому способу получения энергии стало возможно сформировать и поддерживать многоклеточную жизнь, выйти на сушу и освоить всю поверхность земли. То есть кислород, который изначально был страшным, вредным и ужасным, теперь основа практически всей жизни на Земле.

 

В школьном учебнике написано, что фотосинтез — это процесс, в ходе которого растения с помощью энергии света поглощают углекислый газ и из него и воды синтезируют углеводы. На самом деле все не совсем так. Не обязательно растения, не обязательно углекислый газ, не обязательно органическое вещество.

 

В первую очередь фотосинтез — это процесс, в ходе которого какая-либо молекула в клетке поглощает квант света и его энергию использует на синтез АТФ — универсальной энергетической молекулы в клетке, способной питать энергией другие клеточные процессы. Бывает фотосинтез даже без хлорофилла, считающегося классическим фотосинтетическим пигментом. Есть особые бактерии, относящиеся к царству архей, которые используют для фотосинтеза пигмент родопсин, похожий на тот, что у нас в глазах. Другие бактерии используют особую форму хлорофилла — бактериохлорофилл. Это пурпурные бактерии, серобактерии и некоторые другие бактерии. Они уже умеют поглощать углекислый газ и делать из него органические вещества, но кислород они не выделяют. Типичный фотосинтез с кислородом, который мы все знаем, умеют осуществлять высшие растения, наземные растения, водоросли и цианобактерии, первые его и придумавшие.

 

У высших растений фотосинтез происходит в особых органоидах клетки, называющихся хлоропласты. Они окружены внешней мембраной и имеют внутри сеть мембранных мешочков, в которых находится собственно хлорофилл. Хлорофилл находится в виде комплексов с белками. Именно он занимается поглощением света, а дальше эти белки помогают энергию света использовать.

 

Фотосинтез проходит в две стадии. Первая стадия световая, а другая темновая. Световая стадия происходит на внутренних мембранах хлоропластов, в процессе хлорофиллом поглощается квант света, и из хлорофилла выбивается электрон. Дальше этот электрон переходит по цепи переносчиков, находящихся в мембране, и в итоге попадает на восстановительные эквивалентны — особые молекулы, которые могут передавать электрон другим молекулам в клетке, если вдруг это им нужно. В процессе работы этих переносчиков электронов на мембране, где все это происходит, создается градиент протонов: с одной стороны мембраны их становится больше, чем с другой. Его энергия потом используется на синтез АТФ. АТФ и восстановительные эквиваленты на темновой стадии используются, чтобы зафиксировать углекислый газ и синтезировать органические вещества. В первую очередь это глюкоза. Фермент, который занимается фиксацией углекислого газа, называется рибулозобисфосфаткарбоксилаза. Сокращенно ее называют РУБИСКО. Это самый распространенный и один из самых важных ферментов в биосфере, он составляет почти половину общей массы белка листьев.

 

Кислород во всей этой истории образуется еще на световой стадии фотосинтеза. Когда квант света вышибает из хлорофилла электрон, который потом используется, хлорофилл остается без электрона. И эту дырку надо чем-то заткнуть. Для этого используются электроны из воды. Вода окисляется, ее электроны переходят на хлорофилл. Продуктом этой реакции являются протоны и выделяющийся кислород. То есть в фотосинтезе кислород действительно побочный продукт. Растение может потом его использовать для собственного клеточного дыхания, но большая его часть выделяется в атмосферу и используется для дыхания другими организмами. Электроны, которые свет выбил из хлорофилла, идут не только на собственно фотосинтез. Этими электронами питается также метаболизм азота у растений, метаболизм серы и многие другие процессы в клетках. То есть фотосинтез — это не только про синтез углеводов. Он нужен еще и для других процессов в клетке.

 

Фотосинтез как процесс издавна занимал ученых. И его исследования начинаются со второй половины XVIII века, когда английский ученый Джозеф Пристли показал наличие этого процесса у растений. В своих экспериментах он помещал под герметичный колпак свечу и мышку. Через некоторое время кислород под колпаком выгорал, свеча гасла, а мышка задыхалась. Если под этот же герметичный колпак поставить растение, то свеча будет продолжать гореть, а мышка — жить, потому что растение выделяет кислород, который поддерживает горение и поддерживает дыхание животного. Чуть позже Пристли показал уже более четко, что растения действительно способны поглощать углекислый газ и выделять кислород.

В начале XX века наш ученый Климент Тимирязев, а также западные ученые Мюллер и Энгельман записали спектр действия фотосинтеза — то, как от длины волны света зависит скорость процесса, какую длину волны использует свет. Оказалось, что для фотосинтеза максимально эффективно используется красный и синий свет, чуть менее эффективно — зеленый. Уже ближе к середине века, в 1940-х годах, ученые выделили фотосинтетические пигменты из растений. Это хлорофилл — основной пигмент и вспомогательные пигменты — каротиноиды. Оказалось, что их спектр поглощения, то есть то, какой свет они способны поглощать, очень близок к спектру действия фотосинтеза. Таким образом, было показано, какие именно пигменты занимаются поглощением света в фотосинтезе.

 

Чуть позже, в начале 1950-х годов, Кальвин и Бенсон расшифровали последовательность реакций темновой стадии фотосинтеза, поэтому реакции темновой стадии называются циклом Кальвина — Бенсона. В течение второй половины XX века ученые полностью расшифровали последовательность переносчиков электронов в световой стадии фотосинтеза и подробно изучили особенности ферментов темновой стадии фотосинтеза.

 

Таким образом, к концу XX века сложилась целостная картина о механизмах фотосинтеза, о том, где и как он происходит. Но белые пятна в этой истории еще остались, и наука о фотосинтезе — это динамичная область, которая продолжает развиваться по сей день. Здесь есть несколько направлений исследований.

 

Прежде всего, продолжается изучение базовых механизмов передачи электрона. Чем дальше мы идем, тем более совершенствуются методы, и мы можем более подробно узнать, как именно переносится электрон и как работает молекулярная машина. Мы можем подробнее изучить структуру белковых комплексов, которые в этом участвуют, и подробнее понять суть всего процесса. Продолжаются исследования регуляции работы темновой стадии фотосинтеза: какие факторы среды ее могут запускать, усиливать, ослаблять, как это все вместе работает и как достигается слаженная работа двух стадий фотосинтеза.

 

Отдельная проблема — зависимость фотосинтетических реакций от количества и качества света. Свет нужен для фотосинтеза, но если его слишком много, то мембранная машинерия не успевает переварить всю энергию, которую поглощает хлорофилл. Из-за этого лишняя энергия может быть сброшена на кислород, и образуются сильные окислительные агенты, начинающие рушить все, что видят, рушить мембраны, рушить белки в клетке. Фотосинтезирующим организмам нужно уметь от этого защищаться. Это то, чему научились самые первые организмы, которые вынуждены были выживать в кислородной атмосфере. Эти механизмы сейчас довольно подробно изучаются. Это важно и для фундаментальной науки, и для практических приложений, чтобы понимать, как лучше защищать растения от избытка света в поле или теплицах, чтобы понимать, какое количество света для них оптимально, а какое уже избыточно.

 

Интересно также влияние спектрального состава света на работу фотосинтетического аппарата. Мы знаем, что красный и синий свет максимально эффективно используется для фотосинтеза. Частично также может использоваться зеленый свет. А еще свет через систему фоторецепторов может регулировать формирование самого фотосинтетического аппарата. Это как раз та область, которой пытаемся заниматься мы. И здесь получаются забавные вещи, в которых мы пытаемся разобраться.

 

Понимание того, какое количество и качество света нужно для фотосинтеза, важно для организации правильного освещения растений в теплицах, а также в тех местах, где искусственный свет — единственный источник света для растений. Например, это важно для конструирования космических оранжерей, которые будут необходимы для освоения космоса. Чем дальше мы улетаем от Земли, тем больший запас пищи нужен космонавтам. Если его весь тащить прямо с Земли, это слишком большой объем, пища может испортиться. Возникает проблема с витаминными добавками. Для марсианской миссии нужна будет космическая оранжерея на борту с источником света, который должен при минимальных энергозатратах выдавать максимальную биомассу растений, например салата. Именно сведения об оптимальном количестве и качестве света для растений позволят сконструировать такой светильник. Работы в области фотосинтеза также позволяют повышать продуктивность сельскохозяйственных культур, поскольку фотосинтез — это один из основных процессов, дающий растениям биомассу и позволяющий им формировать плоды и семена.

Еще одна интересная новая область — это искусственный фотосинтез. На основе знаний о работе электронных переносчиков и поглощении кванта света можно пытаться делать что-то вроде солнечных батарей, которые будут давать электричество эффективнее, чем уже имеющиеся солнечные батареи. Такие батареи пытаются делать на основе маленьких контейнеров с водорослями или маленьких искусственных молекулярных комплексов, сделанных на основе живых фотосистем из хлоропластов. Ученые, изучающие фотосинтез, ставят перед собой две глобальные задачи: накормить человечество и дать человечеству электричество. Фотосинтез как процесс позволяет сделать и то и другое. И на это направлены усилия ученых всего мира.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration