Энергия из света
Фотосинтез — это понятие, которое всем знакомо со школьных лет, но как явление природы оно до сих пор не даёт покоя учёным… Слово доктору биологических наук Борису Николаевичу Иванову, главному научному сотруднику Института фундаментальных проблем биологии РАН
…Дело в том, что может быть разный взгляд на фотосинтез. Для агрономов процесс фотосинтеза важен, потому что им важен урожай, а значит, нужно обеспечить лучшие условия для фотосинтеза растений с помощью снабжения их водой, удобрениями, а также путём агротехнических приёмов, например улучшения структуры посевов. Поскольку кислород, которым мы дышим, это продукт фотосинтеза, его образование в этом процессе активно изучается, но уже в рамках исследований механизма фотосинтеза.
Кроме того, что растения служат источником кислорода, ещё они обеспечивают нас пищей. Когда я студентам читаю лекции, задаю вопрос: вот маленькое зёрнышко, из которого потом вырастает большое дерево. За счёт чего? За счёт фотосинтеза. То есть фотосинтез — это процесс, который создаёт биомассу, и она становится пищей для животных и человека. Фотосинтез — многостадийный процесс запасания энергии света в энергию органических соединений, состоящий из многих этапов. Механизмы этих этапов изучают биологи, химики, физики — тут большой простор для исследований и исследователей.
— Борис Николаевич, можно ли сказать, что жизнь во всём её разнообразии возникла именно благодаря фотосинтезу?
— Как мы знаем, кислород на нашей планете начал появляться миллиарды лет назад, когда микроорганизмы, которые сейчас называются цианобактериями, освоили разложение воды. Сначала среда вблизи поверхности Земли была восстановительной, с минимальным содержанием молекулярного кислорода. Кислород возникал в очень низких количествах из локализованных абиотических источников, например, вследствие фотолиза воды ультрафиолетом или при разрядах молний. Фотосинтез как источник электронов, необходимых для важнейших биосинтетических реакций, развился в зелёных и пурпурных серных бактериях. Эти бактерии, в отсутствие органических соединений, способных быть окисленными, использовали неорганические доноры электронов, например, серу или сероводород и даже металлы. В ходе эволюции организмы осваивали новые источники электронов и, наконец, научились окислять воду. Кислород — это побочный продукт, который образуется в определённых молекулярных структурах фотосинтезирующих организмов, когда из воды извлекается электрон.
— Значит, для процесса фотосинтеза кислород — это некий мусорный продукт?
— Получается, что так. Оксигенный фотосинтез, то есть процесс, сопровождаемый выделением кислорода, возник около 2,7 миллиарда лет назад. Количество кислорода стало постепенно увеличиваться по сравнению с тем, который образовывался абиогенным путём. Увеличение содержания кислорода до современных значений произошло в промежутке 1—0,5 миллиарда лет назад, и современный уровень содержания кислорода в атмосфере — примерно 20% по объёму — создан именно оксигенными фотосинтезирующими организмами. Изменение состава атмосферы, которое началось 2,5 миллиарда лет назад, называют Великой экологической революцией или Великой кислородной революцией, хотя часто встречается название Великая кислородная катастрофа.
— Почему же это катастрофа?
— Потому что была уничтожена большая часть древних анаэробных организмов, которые прекрасно себя чувствовали в бескислородной среде. Но это были простейшие одноклеточные организмы. Ничего другого там вырасти не могло. Эти организмы погибали, потому что кислород, вообще говоря, яд, и молекула O2, будучи высокореактивной окисляющей молекулой, могла быть токсична для жизни, развившейся в восстановительной среде. Но не только потому, что кислород сам способен окислять живые молекулы, но и потому, что с его появлением в организмах стали возникать активные формы кислорода, способные делать это ещё лучше, и защита от них с помощью специальных механизмов позволила жизни продолжать развиваться в окислительной среде.
При этом окисление кислородом органических соединений создало возможность получать больше энергии для жизни, и поэтому появились организмы, которые могут ходить, бегать, летать. Так что, отвечая на ваш первый вопрос, можно однозначно сказать: да, именно благодаря фотосинтезу, производителю кислорода и биомассы, возникло всё биоразнообразие, которое мы сегодня наблюдаем. Фотосинтез — это биосферный процесс, за счёт которого мы живём.
— Когда был открыт фотосинтез?
— В 1771 году английский учёный Джозеф Пристли описал «исправление» воздуха зелёными растениями, а в 1774 году он открыл собственно кислород. Впоследствии великий русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев, чьё имя носит Институт физиологии растений РАН в Москве, доказал, что зелёный пигмент (хлорофилл) не просто улавливает свет, а химически участвует в превращении воды и углекислого газа в органические вещества. Он точно определил, какие лучи солнечного спектра дают энергию для питания растений, и показал, что процесс усвоения света растениями подчиняется общему закону сохранения энергии. Именно Тимирязев объяснил, в частности, почему растение зелёное: потому что хлорофилл поглощает синий и красный свет, а зелёный свет отражается. Поэтому листва и трава для нас зелёного цвета. Кстати, максимум дневного восприятия человеческого глаза тоже находится в зелёной области.
— А правда, что ваш институт начинался как институт фотосинтеза?
— Совершенно верно. Я пришёл работать полвека назад именно в Институт фотосинтеза. Но и сейчас у нас в институте есть несколько лабораторий, которые исследуют этот процесс с разных сторон. Ещё предыдущий директор нашего института, академик Владимир Анатольевич Шувалов активно занимался тем, как происходит преобразование кванта света в так называемом реакционном центре фотосинтеза — специальной структуре, которая возникла в процессе эволюции. В зелёной, содержащей хлорофилл клетке находится хлоропласт — замкнутая, окружённая мембраной органелла, появившаяся, как предполагают, вследствие того, что когда-то в клетки древних организмов внедрились те самые цианобактерии, первыми научившиеся разлагать воду с выделением кислорода. В хлоропласте расположены так называемые тилакоидные мембраны, которые и содержат хлорофилл. Но хлорофилл не растворён в мембране, он собран в пигмент-белковые комплексы. Реакционный центр находится внутри одного из таких комплексов, там происходит преобразование энергии кванта света в энергию разделённых зарядов. Это ключевой момент, и для некоторых учёных это, собственно, и есть суть фотосинтеза.
— А для вас?
— Для меня всё сложнее и глубже. Ведь далее следуют биохимические процессы, в которых за счёт возникшей электрической энергии в высших растениях электрон отрывается от воды в другой специальной структуре, водоокисляющем комплексе. Там кислород выделяется как побочный продукт, а электрон поступает в так называемую электрон-транспортную цепь. При прохождении электрона по этой цепи на тилакоидной мембране образуется градиент протонов. Благодаря энергии этого градиента внутри хлоропласта происходит синтез АТФ, а электрон используется для образования восстановленного соединения, НАДФН, которое вместе с АТФ участвует в связывании углекислого газа из воздуха в органическое соединение. Именно так происходит создание органического вещества, из которого состоит и само растение (биомасса), и в конечном счёте и животные, и человек. Именно связывание, поглощение углекислого газа, или, как говорят учёные, его фиксацию, измеряют для характеристики процесса фотосинтеза.