Фотосинтез

Фотосинтез

Фотосинтез — один з найголовніших процесів на Землі. Він забезпечує всю біосферу органічними речовинами, які споживають живі істоти, і киснем. Фотосинтез — основне і єдине джерело кисню на Землі. В атмосфері первинної Землі, ще до виникнення життя, кисню практично не було: він пішов на окислення компонентів земної кори і у вільному вигляді його практично не залишилось.

Довгий час життя еволюціонувало в безкисневому середовищі. Кисень з'явився знову приблизно 2,5 млрд років тому, коли ціанобактерії, синьо-зелені водорості, винайшли фотосинтез з виділенням кисню. Тоді це був побічний продукт фотосинтезу, який давав органічні речовини водоростям, і живі істоти ні для чого корисного його не використовували.

Кисень — сильний окисник. Як тільки він з'явився у вільному вигляді, одразу ж почав окислювати все навколо. Окисливши океан і поверхню планети, він взявся за живі організми. І з'ясувалось, що кисень — це сильна отрута, яка викликала те, що називають першою екологічною катастрофою в історії Землі. Більшість мікроорганізмів, що населяли тоді планету, вимерли, оскільки не змогли протистояти цьому страшному окислювальному агенту.

Організми, які все-таки вижили і навчились захищатись від кисню, несподівано виявили, що з його допомогою можна отримувати енергію з їжі набагато ефективніше, ніж біохімічними шляхами. Так з'явилось кисневе дихання, яким зараз користуються практично всі наземні живі організми, в тому числі і люди. Завдяки новому способу отримання енергії виникла можливість сформувати і підтримувати багатоклітинне життя, вийти на сушу і освоїти всю поверхню землі. Тобто кисень, який колись був страшним і шкідливим, тепер основа практично всього життя на Землі.

У шкільному підручнику написано, що фотосинтез — це процес, в ході якого рослини за допомогою енергії світла поглинають вуглекислий газ і з нього і води синтезують вуглеводи. Насправді все не зовсім так. Не обов'язково рослини, не обов'язково вуглекислий газ, не обов'язково органічна речовина.

В першу чергу фотосинтез — це процес, в ході якого певна молекула в клітині поглинає квант світла і його енергію використовує на синтез АТФ — універсальної енергетичної молекули, здатної живити енергією інші клітинні процеси. Буває фотосинтез навіть без хлорофілу, який вважається класичним фотосинтетичним пігментом. Наприклад, деякі археї використовують для фотосинтезу пігмент родопсин, схожий на той, що у нас в очах. Пурпурні бактерії, сіркобактерії і деякі інші бактерії використовують особливу форму хлорофілу — бактеріохлорофіл. Вони вже вміють поглинати вуглекислий газ і робити з нього органічні речовини, але кисень не виділяють. Типовий фотосинтез з киснем, який ми всі знаємо, здійснюють вищі рослини, наземні рослини, водорості та ціанобактерії, які перші його і винайшли.

У вищих рослин фотосинтез відбувається в особливих органелах клітини, хлоропластах. Вони оточені зовнішньою мембраною і містять мережу мембранних мішечків, в яких знаходиться власне хлорофіл. Не сам, а у вигляді комплексів з білками. Хлорофіл займається поглинанням світла, а білки допомагають енергію світла використовувати.

Фотосинтез проходить у дві стадії. Перша стадія світлова, друга — темнова. Світлова стадія відбувається на внутрішніх мембранах хлоропластів, в процесі хлорофілом поглинається квант світла, і з хлорофілу вибивається електрон. Далі цей електрон переноситься по мембрані і потрапляє на відновлювальні еквіваленти — особливі молекули, які можуть передавати електрон іншим молекулам в клітині, якщо їм це раптом потрібно. При переносі електронів по мембрані створюється градієнт протонів: з одного боку мембрани їх стає більше, ніж з іншого. Його енергія потім йде на синтез АТФ. АТФ і відновлювальні еквіваленти використовуються на темновій стадії, щоб зафіксувати вуглекислий газ і синтезувати органічні речовини. В першу чергу це глюкоза. Фермент, який займається фіксацією вуглекислого газу, називається рибулозобісфосфаткарбоксилаза. Скорочено її називають РуБісКо. Це найпоширеніший і один з найважливіших ферментів в біосфері, він становить майже половину загальної маси білка листя.

Кисень у всій цій історії утворюється ще на світловій стадії фотосинтезу. Коли квант світла вибиває з хлорофілу електрон, який потім використовується, хлорофіл залишається без електрона. Цю дірку треба чимось заткнути. Для цього використовуються електрони з води. Вода окислюється, її електрони переходять на хлорофіл. Продуктом цієї реакції є протони і виділений кисень. Тобто в фотосинтезі кисень дійсно побічний продукт. Рослина може потім ним скористатись для власного клітинного дихання, але більша його частина виділяється в атмосферу і використовується для дихання іншими організмами. Електрони, які світло вибило з хлорофілу, йдуть не лише на фотосинтез. Цими електронами живиться також метаболізм азоту у рослин, метаболізм сірки і багато інших процесів в клітинах. Тобто фотосинтез — це не тільки про синтез вуглеводів. Він потрібен ще й для інших процесів в клітині.

Фотосинтез як процес здавна цікавив вчених. Його дослідження починаються з другої половини XVIII століття, коли англійський вчений Джозеф Прістлі показав наявність цього процесу у рослин. У своїх експериментах він поміщав під герметичний ковпак свічку і мишку. Через деякий час кисень під ковпаком вигоряв, свічка гасла, а мишка задихалась. Якщо ж під той самий герметичний ковпак поставити рослину, то свічка продовжуватиме горіти, а мишка — жити, тому що рослина виділяє кисень, який підтримує горіння і дихання тварини. Трохи пізніше Прістлі показав вже більш чітко, що рослини дійсно здатні поглинати вуглекислий газ і виділяти кисень.

На початку XX століття російський вчений Климент Тімірязєв, а також західні вчені Мюллер і Енгельман записали спектр дії фотосинтезу — те, як від довжини хвилі світла залежить швидкість процесу. Виявилось, що для фотосинтезу максимально ефективно використовується червоне і синє світло, трохи менш ефективно — зелене. Вже ближче до середини століття, в 1940-х роках, вчені виділили фотосинтетичні пігменти з рослин. Це хлорофіл — основний пігмент і допоміжні пігменти — каротиноїди. Виявилось, що їх спектр поглинання, тобто те, яке світло вони здатні поглинати, дуже близький до спектру дії фотосинтезу. Так було показано, які саме пігменти займаються поглинанням світла у фотосинтезі.

Трохи пізніше, на початку 1950-х років, Кальвін і Бенсон розшифрували послідовність реакцій темнової стадії фотосинтезу, тому реакції темнової стадії називаються циклом Кальвіна — Бенсона. Протягом другої половини XX століття вчені повністю розшифрували послідовність переносників електронів в світловій стадії фотосинтезу і детально вивчили особливості ферментів темнової стадії фотосинтезу.

Таким чином, до кінця XX століття склалась цілісна картина про механізми фотосинтезу, про те, де і як він відбувається. Але білі плями ще залишились, і наука про фотосинтез — це динамічна область, яка досі продовжує розвиватись. Тут є кілька напрямків досліджень.

Насамперед, триває вивчення базових механізмів передачі електрона. Чим далі, тим більше вдосконалюються методи, і тим детальніше ми дізнаємось, як саме переноситься електрон і як працює молекулярна машина. Ми можемо докладніше вивчити структуру білкових комплексів, які беруть участь в процесі, і докладніше зрозуміти суть всього процесу. Тривають дослідження регуляції роботи темнової стадії фотосинтезу: які фактори середовища її можуть запускати, підсилювати, послаблювати, як все це працює і як досягається злагоджена робота двох стадій фотосинтезу.

Окрема проблема — залежність фотосинтетичних реакцій від кількості і якості світла. Світло потрібне для фотосинтезу, але якщо його забагато, мембранна машинерія не встигає переварити всю енергію, яку поглинає хлорофіл. Зайва енергія може бути скинута на кисень, утворюючи сильні окислювальні агенти, що починають руйнувати все навколо, руйнувати мембрани, руйнувати білки в клітині. Фотосинтезуючим організмам потрібно вміти від цього захищатись. Це те, чого навчились найперші організми, що змушені були виживати в кисневій атмосфері. Ці механізми зараз досить докладно вивчаються. Це важливо і для фундаментальної науки, і для практичного застосування, щоб розуміти, як краще захищати рослини від надлишку світла в полі або теплицях, щоб розуміти, яка кількість світла для них оптимальна, а яка вже шкідлива.

Цікавий також вплив спектрального складу світла на роботу фотосинтетичного апарату. Ми знаємо, що червоне і синє світло максимально ефективно використовується для фотосинтезу. Частково також може використовуватись зелене світло. А ще світло через систему фоторецепторів може регулювати формування самого фотосинтетичного апарату.

Розуміння того, яка кількість і якість світла потрібна для фотосинтезу, важливе для організації правильного освітлення рослин у теплицях, а також у тих місцях, де штучне світло — єдине джерело світла для рослин. Наприклад, це важливо для конструювання космічних оранжерей, які будуть необхідні для освоєння космосу. Чим далі ми відлітаємо від Землі, тим більший запас їжі потрібен космонавтам. Якщо тягти його прямо з Землі, це занадто великий обсяг, їжа може зіпсуватись. Виникає проблема з вітамінними добавками. Для марсіанської місії потрібна буде космічна оранжерея на борту з джерелом світла, яке повинно за мінімальних енерговитрат видавати максимальну біомасу рослин, наприклад салату. Саме відомості про оптимальну кількість та якість світла для рослин дозволять сконструювати такий світильник. Роботи в області фотосинтезу також дозволяють підвищувати продуктивність сільськогосподарських культур, оскільки фотосинтез — це один з основних процесів, що дає рослинам біомасу і дозволяє їм формувати свої плоди й насіння.

Ще одна цікава область — це штучний фотосинтез. На основі знань про роботу електронних переносників і поглинання кванта світла можна намагатись робити щось на зразок сонячних батарей, які видаватимуть електроенергію ефективніше, ніж звичайні сонячні батареї. Такі батареї намагаються робити на основі маленьких контейнерів з водоростями або маленьких штучних молекулярних комплексів, зроблених на основі живих фотосистем з хлоропластів. Вчені, які вивчають фотосинтез, ставлять перед собою два глобальні завдання: нагодувати людство і дати людству електроенергію. Фотосинтез як процес дозволяє зробити і те й інше. І на це спрямовані зусилля вчених усього світу.

 

 

Коментарі

Ввійдіть або зареєструйтесь, щоб залишати коментарі.
Читайте також

Листя «кричить», квіти «чують», а дерева в лісі спілкуються через власний «інтернет» — треба лише знати, як зазирнути в їх таємне життя.

X

Вхід

Завантажую...