Фотосинтез

В гиде On the Edge, который мы подготовили вместе с Отделом культуры и образования Посольства Великобритании в Москве, профессора из ведущих британских университетов объясняют 15 главных научных тем, которые должен понимать каждый образованный человек. Следите за новостями проекта и будьте на крае науки вместе с нами.

Почему и как это возникло? Что это за система, которая фундаментально основана на захвате солнечного света? Это, конечно, фотосинтез — процесс, в ходе которого пигменты в растениях (и до какой-то степени животных, но в основном в растениях), чаще всего хлорофилл, поглощают солнечный свет, то есть они научились поглощать это излучение и превращать его во что-то полезное. Если подумать о сущности фотосинтеза, то он позволяет растениям поймать энергию и превратить ее во что-то полезное. Что значит «полезное»? Они берут свет, диоксид углерода и воду — это простое уравнение, вы берете диоксид углерода и воду из внешней среды как материалы. Хлорофилл в очень сложном химическом процессе позволяет использовать солнечный свет, чтобы расщепить диоксид углерода и воду и превратить их в намного более сложные молекулы, в основном сахара. Сахара можно использовать в биологических процессах высвобождения и использования энергии, которую можно передать тканям растения. Они позволяют им функционировать, перемещать вещества и строить ткани.

Посмотрим, как к нам приходит солнечное излучение: оно проходит через атмосферу и достигает поверхности Земли. Что с ним случается дальше? Либо поверхность поглощает его и нагревается, вода испаряется, а мы удерживаем тепло, либо оно отражается. Но что происходит посередине, где находятся растения? Мы знаем, что растения покрывают огромные участки земной поверхности, и мы почти полностью от них зависим. Я бы даже сказал «полностью», потому что, даже если мы посмотрим на пищевое сырье, которое получаем из океана, низ этой пищевой цепочки также зависит от растений — океанического фитопланктона.

Эти сахара — пища, дающая растениям возможность расти и набирать массу. Часть этой массы представлена в виде тканей, которые в растениях разного типа организуются по-разному. Древесные растения производят древесину, в которой много целлюлозы и лигнина, и их архитектура позволяет им расти больше и выше. Если же речь идет о травянистых или цветковых растениях, их структура меньше и состоит в основном из целлюлозы. Когда эти структуры вырастают, они удерживают в себе энергию, и она хранится в тканях, выращенных растением. Для нас это весьма удачно, поскольку вся остальная система жизни на Земле, особенно над поверхностью океана, от них зависит и может их использовать. Растения предупредительно захватили свет и превратили его в сахара и более сложные углеводы, и для других организмов намного проще получать энергию из этих сложных углеводов. Если вы насекомое, млекопитающее или океанская рыба, вы можете использовать энергию, захваченную растениями. Так что растения делают самую сложную работу, а животные потом их съедают, и это основа пищевых цепочек в океанах и на суше.

Фотосинтез лежит в основе всех этих процессов. Можно подумать: фотосинтез должен быть хорошо изучен. На самом деле ситуация выходит интересная. Фотосинтез — это фундаментально важная часть жизни на Земле. Немного отвлекусь: вплоть до последних 30 лет считалось, что он обеспечивает существование всей жизни на Земле. Я бы сказал, что почти всей жизни. Примерно 30 лет назад мы открыли на дне океана организмы, живущие вокруг черных курильщиков. Это геотермальные источники, через которые на дно океана из глубоких геологических пластов выходит горячая, богатая минералами вода. Мы открыли небольшие островки жизни, существующие на большой глубине и каким-то образом использующие, например, кремнийфосфорные соединения. Это потрясающе, поскольку до того времени фотосинтез был единственным известным способом получить на Земле жизнь. Сейчас появилась еще одна возможность. Это очень интересно, поскольку раньше, если вы искали жизнь на других планетах, вы бы предположили, что нужно найти какой-то похожий на фотосинтез механизм. Открытие этих организмов, которые существуют на дне океанов независимо от солнечного света, значит, что при отсутствии света могут развиваться отдельные экосистемы. Это очень хорошо для поиска жизни на других планетах, поскольку она как минимум дважды зародилась на Земле благодаря совершенно разным механизмам. Если это произошло два раза, кто сказал, что это не могло произойти двадцать раз? Мы просто не знаем, где искать.

Вернемся к фотосинтезу. Разумеется, мы активно пытались понять фотосинтез с точки зрения чистой науки. Как он работает? Ведь если вы знаете механизм его работы, вы потенциально можете смоделировать и использовать его, хотя это очень-очень сложный процесс. Когда ученые начали изучать процесс фотосинтеза — в начале XX века и по сей день, — было сделано много прорывов в нашем понимании разных элементов этого процесса, но до полного понимания нам еще далеко. Это делает фотосинтез очень интересным научным вопросом, но одновременно порождает трудности. Если мы рассматриваем климат и углеродный цикл, связанную с растениями биогеохимическую часть углеродного цикла, один из возникающих ключевых вопросов — как ввести в него фотосинтез? Фотосинтез — это движущий механизм: солнечный свет входит, и операторы фотосинтеза в растении превращают свет, диоксид углерода и воду в полезные вещества и выделяют кислород обратно в атмосферу. Весь этот цикл надо как-то включить в наши модели. Как всегда, здесь все становится сложно: ответ никогда не бывает простым. Фотосинтез происходит на уровне отдельных листьев, отдельных клеток в листьях. Это прекрасно, но, к сожалению, нам нужно посмотреть на организм в целом, на целые тропики и понять, каков вклад фотосинтеза в углеродный бюджет.

Понять, как фотосинтез проходит на крупном масштабе, — труднейшая задача. За последние несколько лет было обнаружено много интересного. Сочетая спутниковые и другие сети наблюдения, экологи разработали эту область, комбинируя данные на разных масштабах. За последние 20–30 лет мы начали измерять потоки CO₂ при помощи сетей особых установок — это вышки чуть выше лесного полога (некоторые сильно выше кроны деревьев, но большинство ненамного), то есть около 40–50 метров высотой в тропиках и 30 метров — в лиственных лесах. На вышке стоит инфракрасный газоанализатор, который измеряет, сколько CO₂ входит и выходит в данной части атмосферы в каждый момент времени. Он также измеряет скорость вертикального и горизонтального потоков воздуха, то есть как движется ветер и сколько диоксида углерода расходится от этой области атмосферы.

Это полезно, интересно и буквально открыло нам глаза, поскольку, если вы круглые сутки мониторите, сколько диоксида углерода проходит мимо этой вышки, вы видите, как дышит этот участок растительности, будь то культурные растения или леса. Вы видите результаты работы фотосинтеза. Когда вы смотрите на эти данные, которые мы получаем каждые 30 секунд на протяжении многих месяцев и лет, вы получаете динамику фотосинтеза и понимание, как растения его проводят. Вы видите, как уровень диоксида углерода падает в течение дня, когда растение начинает фотосинтез. Солнце встает — фотосинтез начинается, и растение постепенно поглощает диоксид углерода. Фотосинтез достигает пика в середине дня, если нет препятствий для солнечного света, например дождей, и к вечеру падает. Ночью он прекращается. Вы видите эту ежедневную пульсацию — подъем и падение уровня диоксида углерода, и, если эти вышки стоят не в одном месте, а по всем лесам и континентам, вы видите, как проходит фотосинтез на участках от пары метров до очень крупных масштабов.

Так что нам нужно понимать фотосинтез на очень разных масштабах. Эти новые данные, которые мы получаем при комбинировании спутниковых данных, моделирования и измерений газовых потоков, дают нам понимание динамики фотосинтеза, как она меняется и как зависит от температуры и дождей по всему земному шару.