Каким образом свет «питает» растение и как вызывает химические реакции?

Наука и жизньПрирода

Фотосинтез — «игра с огнём» для растения

Доктор биологических наук Василий Птушенко

Фото Оксаны Птушенко

Свет — основа жизни подавляющего большинства растений, если не говорить о немногих растениях-паразитах. Именно свет даёт им энергию для роста, «питает» их, что позволяет называть растения фототрофными (дословно с греческого — питающимися светом) организмами. Однако парадоксальным образом свет одновременно представляет большую опасность для растений. Он несёт настолько «концентрированную» энергию, что она позволяет растению решить все его биосинтетические задачи, осуществить химические реакции, которые не идут сами по себе, но в то же время способен вызвать неконтролируемые разрушительные химические реакции. Почему так получается, и как растение избегает такой опасности?

Этот вопрос, поставленный весьма общим образом, можно разбить на несколько более узких. И первые два из них — каким образом свет «питает» растение и как вызывает химические реакции?

Фотохимические реакции

Начать проще со второго вопроса. При химической реакции исходная молекула превращается в другую, в некотором смысле более стабильную (если говорить точнее, в ту, у которой ниже химический потенциал). Конечно, хотя молекулы различаются по своей устойчивости, любая из них, даже молекула очень высокореакционного соединения, в какой-то мере стабильна, иначе бы она вообще не существовала — атомы или, по крайней мере, какие-то группы атомов разлетелись бы, не образовав молекулы. Но почему-то часть таких молекул «выскакивает» из своего устойчивого состояния и «сваливается» в другое устойчивое состояние. Так брызги воды вылетают из стакана, перелетают через край и падают на пол. Причины, подбрасывающие некоторые капли воды до высоты края стакана, бывают разные: стакан может подрагивать, стоя на столике в поезде; брызги вызывает и струя воды или даже отдельные капли, упавшие в стакан с большой высоты. Точно так же и молекула способна подняться из своей «энергетической ямы», соответствующей её устойчивому состоянию, и потом «перевалить через край». Необходимый для этого избыток энергии она может получить от других молекул. Чем выше температура, тем больше энергия всех молекул, и нужный избыток проще получить — поэтому при повышении температуры химические реакции идут быстрее. Другой вариант: молекула поглощает свет и тем самым также приобретает избыточную энергию. Такие химические реакции называются фотохимическими.

«Энергетический профиль» химической реакции. Для того чтобы реакция произошла, молекула реагента должна сначала «взобраться» на вершину (хотя, если пользоваться образами, то, скорее, на перевал) энергетического барьера, разделяющего реагент и продукт реакции. Чем больше высота барьера (так называемая энергия активации), тем сложнее молекулам реагента преодолеть его, и тем медленнее будет протекать реакция.

Свет — замечательный источник энергии для химических реакций. Один квант видимого света содержит энергию, огромную по сравнению с той характерной энергией, которую имеют молекулы «сами по себе», за счёт теплового движения — примерно в 70—130 раз бóльшую. Вот только проблема: не всякая молекула не всякий свет может поглотить. Чтобы поглощение было возможно, разница энергий между двумя состояниями молекулы должна быть равна энергии кванта света. Для молекул как микроскопических частиц возможны не любые состояния, а только соответствующие определённым, дискретным уровням энергии, то есть молекулу нельзя чуть-чуть возбудить, есть некоторая минимальная величина, на которую молекула может изменить свою энергию. А у многих молекул разница в энергии электронных уровней заметно больше той энергии, которую несёт квант видимого света. Его энергии просто не хватает, чтобы «забросить» молекулу хотя бы на ближайший верхний уровень, в возбуждённое состояние. И лишь у некоторых веществ первый возбуждённый электронный уровень энергии лежит не слишком высоко — настолько, что энергии кванта видимого света хватает, чтобы молекула оказалась на этом уровне. Такие вещества могут поглощать свет, и называют их пигментами.

Хлорофил

У растений множество самых разных пигментов, и какой только свет они не поглощают! Вспомним разнообразную окраску цветков и плодов растений и даже листьев в осеннюю пору. Однако основной пигмент растений — хлорофилл. Он способен поглощать как синий, так и красный свет — в итоге и в отражённом, и в прошедшем через лист свете остаётся в основном зелёный. В отличие от всех остальных пигментов в растении для него созданы особые условия: хлорофилл сидит в специальном белке — так называемом фотосинтетическом реакционном центре, а рядом с ним в этом же белке размещены другие молекулы, с которыми он должен быстро вступить в фотохимическую реакцию, как только поглотит свет.

Строение молекулы хлорофилла. Голубыми сферами показаны атомы углерода, красными — кислорода, синими — азота, светло-коричневой сферой — атом марганца.

Такие особые условия для хлорофилла — неспроста. Дело в том, что, для того чтобы вступить в фотохимическую реакцию, молекуле мало быть пигментом: поглотив свет и перейдя в возбуждённое состояние, она должна продержаться в нём достаточно долго, чтобы успеть прореагировать с чем-то ещё. У многих молекул пигментов время жизни возбуждённого состояния слишком короткое. А вот у хлорофилла оно уже достаточное, чтобы успеть осуществить химическую реакцию. Конечно, по нашим меркам, это тоже мгновения — наносекунды, однако если все условия для протекания реакции подготовлены, то это вполне возможно.

Задача фотосинтеза

Чтобы объяснить, как именно растение использует энергию света, поглощённого хлорофиллом, можно было бы подробно описать последовательность всех реакций, которые происходят в хлоропласте (той клеточной органелле, в которой сосредоточен весь фотосинтетический аппарат растения). Однако это было бы примерно то же, что описывать в деталях внутреннее устройство какого-нибудь сложного прибора. Трудно сразу воспринять обилие деталей, каждая из которых в своё время оказалась гениальной находкой изобретателя, и понять принцип работы устройства. Проще подойти к этому вопросу с конца: а что, собственно, требуется от фотосинтетического аппарата?

Как хорошо известно, фотосинтез заключается в том, что растение поглощает из воздуха углекислый газ (CO2) и превращает его в органические вещества. С этим сопряжён ещё один процесс — расщепление молекулы воды, при котором два атома кислорода (из двух молекул воды) образуют молекулярный кислород, уходящий из растения в атмосферу. Отщепляемые от молекулы воды ионы водорода остаются в водной среде клетки. А что нужно для того, чтобы превратить CO2 в органику?

Посмотрим на вопрос с другой стороны: а что происходит при превращении органических веществ в CO2? С одной из разновидностей этого процесса все сталкивались — это горение. Органические вещества, например целлюлоза (основной компонент древесины, полимер глюкозы), реагируют с кислородом, происходит окислительно-восстановительная реакция. Кислород, чрезвычайно электроотрицательный элемент, то есть способный притягивать к себе валентные электроны почти любых других элементов, отбирает их у молекул целлюлозы. Разумеется, атомы, у которых кислород утащил электроны, тоже должны куда-то деться, и при полном сгорании они устремляются вслед за своими электронами, в итоге образуя соединения с кислородом (оксиды), в которых основная электронная плотность смещена к кислороду, хотя и у его партнёра тоже кое-что остаётся. Партнёры эти — углерод и водород, продукты горения — их оксиды, углекислый газ и вода (если мы говорим о полном сгорании; при неполном сгорании могут образовываться и разнообразные другие, частично окисленные соединения). То же самое — не по детальному механизму, но по конечному результату — происходит и в живых организмах при дыхании: глюкоза окисляется кислородом до воды и CO

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Сибирский Хогвартс Сибирский Хогвартс

Еще часа два я плутал среди гигантских сосен, пока не вышел к зданию ФМШ

ТехИнсайдер
В тени новой биологии, или Вверх по лестнице, ведущей вниз В тени новой биологии, или Вверх по лестнице, ведущей вниз

Сравнительная анатомия – старая наука, интеллектуальный опыт которой очень богат

Знание – сила
Как болельщики императора свергали Как болельщики императора свергали

Спортивные игры – идеальная среда для социального взрыва

Вокруг света
Мертвые дети, неравенство и травмы Мертвые дети, неравенство и травмы

Настоящий мир вымышленного Питера Пэна

Weekend
Чистые помыслы Чистые помыслы

Какие существуют альтернативы традиционному дизельному топливу для яхт?

Y Magazine
Пётр Шумилов: «Микрофлора уникальна. Что у одного человека – норма, у другого может быть аномалией» Пётр Шумилов: «Микрофлора уникальна. Что у одного человека – норма, у другого может быть аномалией»

Как микрофлора организма влияет на все процессы, происходящие в нем

Здоровье
Валдис Пельш: Как ревели горы Валдис Пельш: Как ревели горы

История-подъем, превозмогание, смелость и безумие

Maxim
Больше президенток и законов о насилии: 10 важных достижений феминисток в XXI веке Больше президенток и законов о насилии: 10 важных достижений феминисток в XXI веке

Главные достижения феминисток за последние 25 лет

Forbes
Осторожно, опасные продукты: что можно, а что нельзя класть в кошачью миску Осторожно, опасные продукты: что можно, а что нельзя класть в кошачью миску

Какие продукты нужны кошкам и почему лакомства стоит строго дозировать

СНОБ
«Олимпийская трасса в Сочи для российских скелетонистов как песочница» «Олимпийская трасса в Сочи для российских скелетонистов как песочница»

Владислав Семенов о доходах и достижениях скелетона в эпоху санкций

Ведомости
Эти странные аксионы Эти странные аксионы

Аксион — главный кандидат в частицы темной материи

Знание – сила
«Ростки насилия есть в каждом из нас». Психотерапевт Елена Миськова об абьюзе «Ростки насилия есть в каждом из нас». Психотерапевт Елена Миськова об абьюзе

Елена Миськова о двойных стандартах, идеалах и способах противостоять абьюзу

СНОБ
Свой подъезд к клиенту Свой подъезд к клиенту

Сколько стоят такси особого назначения

Деньги
Дэн Браун Дэн Браун

Правила жизни писателя Дэна Брауна

Правила жизни
Реактивный рост Реактивный рост

Как стартап выпускников химфака МГУ и Бауманки превратился в большой бизнес

Ведомости
«Казнь Джейн Грей» «Казнь Джейн Грей»

Художник Поль Деларош запечатлел Джейн Грей в момент казни

Дилетант
Эльдарадо Калимулина Эльдарадо Калимулина

Эльдар Калимулин о сюжетах в жизни и кино и амплуа «вечного студента»

СНОБ
«Ангел Божий на землю спустился...» «Ангел Божий на землю спустился...»

Ирэн Юсупова — легенда своего времени, которую считали чуть ли не нимфой

Караван историй
Юбилейная партитура Юбилейная партитура

Музыкальному коллективу Теодора Курентзиса musicAeterna исполняется 20 лет

СНОБ
В разряде достаточно рентабельных В разряде достаточно рентабельных

Сокращение урожайности снизило доходность сахарной свеклы

Агроинвестор
Есть контакт! От клеточной адгезии к нетоксичной терапии рака Есть контакт! От клеточной адгезии к нетоксичной терапии рака

Есть ли вещества, которые могут содействовать здоровой адгезии при лечении рака?

Наука и жизнь
Польша между двух рек и трёх спичек Польша между двух рек и трёх спичек

Как Большая тройка определяла границы, статус и политическое устройство Польши

Дилетант
Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха

Палеонтологи реконструировали окраску шести маммалиаформов

N+1
9 принципов первой психологической помощи 9 принципов первой психологической помощи

Каковы главные принципы оказания первой психологической помощи?

Psychologies
Давайте отдыхать поездами Давайте отдыхать поездами

Как в России развивается железнодорожный туризм

Деньги
Глеб Туричин: «Кораблестроителя надо учить руками» Глеб Туричин: «Кораблестроителя надо учить руками»

Ректор «Корабелки» — о цифровизации флота, кадрах и важности Арктики для всех

Ведомости
Вспоминая Майорку Вспоминая Майорку

В интерьере заказчикам хотелось повторить атмосферу острова, запавшего в душу

Идеи Вашего Дома
Как война меняет людей и брак — в 15 цитатах из романа «Балканская трилогия» Как война меняет людей и брак — в 15 цитатах из романа «Балканская трилогия»

О чем роман «Балканская трилогия» и почему он так хорошо показывает войну

Psychologies
Как изменить поведение партнера или начальника: методы из коучинга Как изменить поведение партнера или начальника: методы из коучинга

Можем ли мы повлиять на поведение другого человека, и если да, то как?

Psychologies
Годовые кольца: 1610 Годовые кольца: 1610

Открытие Гудзонова залива и революция в астрономии: что случилось в 1610 году

Вокруг света
Открыть в приложении