Превращение света в кислород. О нем рассказывают в школе, его тщательно изучают в институтах, над разгадкой его тайны вот уже не одно столетие бьются маститые ученые. Его «разложили по полочкам», ему «перемыли все косточки»... Но этот удивительный процесс по-прежнему остается «знакомым незнакомцем»...
Свет — это вечно натянутая пружина, приводящая в действие механизм земной жизни.
Юлиус Роберт Майер
Всем известна поговорка «Мы едим для того, чтобы жить...». Потребляемая нами пища — это источник энергии, благодаря которой мы можем двигаться, думать, творить, в общем — жить. А чтобы эту энергию из пищи извлечь, нам необходимо еще и дышать, ибо, образно говоря, пища сгорает в пламени кислорода и, сгорая, высвобождает нужную нам энергию. Таким образом, для производства энергии нам необходимы пища и кислород. Всего за один год человечество умудряется съесть более 7•108 млн тонн. Но ведь потребность дышать и питаться испытывает и все остальное, более многочисленное население Земли. Значит, используемые запасы питательных веществ и кислорода должны непрерывно пополняться. И это действительно происходит — благодаря растениям с их удивительной способностью к фотосинтезу. За один год под действием света на Земле, по ориентировочным подсчетам, образуется 6•1011 млн тонн органических веществ.
В природе царит закон целесообразности. И одной из ярких его иллюстраций служат «безотходные технологии», когда отработанные вещества одной живой системы автоматически становятся исходными соединениями для деятельности другой. Иначе это можно назвать круговоротом веществ в природе. Так происходит и с фотосинтезом. Ведь для производства питательных веществ и кислорода растения используют не что иное, как «отходы» жизнедеятельности всех живых существ, а именно: воду и углекислый газ.
Итак, роль фотосинтеза ясна. Теперь попытаемся разобраться с его замысловатым механизмом. Фотосинтез (от греч. photos «свет») — это образование сложных биологических молекул из простых химических соединений под действием света. В настоящее время принято выделять в этом процессе две стадии: световую (проходящую на свету) и темновую (которая для своего протекания непосредственно в освещении не нуждается). Темновые реакции это собственно синтез — цепочка последовательных химических превращений углекислого газа в сахара. Чтобы эти процессы происходили, нужна энергия. И не любая энергия, а именно та, которая будет «говорить» с реагирующими молекулами на их языке — языке химических превращений. Значит, прежде чем «запустить» синтез, необходимо уловить энергию света и трансформировать ее в движущую силу химических реакций. А это уже задача световой стадии фотосинтеза. Таким образом, связующим звеном обеих стадий служит так называемая химическая энергия (энергия химической связи), которая есть поглощенная и трансформированная энергия Солнца. А собственно акт трансформации энергии является главным событием фотосинтеза в целом.
«Местом действия» фотосинтеза служит растительная клетка (время действия, разумеется, — светлое время суток). Растительная клетка — это сложная живая система, она содержит ряд структур и выполняет множество функций. Некоторые процессы в клетке имеют строгую локализацию. Это относится и к фотосинтезу, а точнее, к стадии световых реакций. Процессы улавливания (поглощения), проведения и трансформации солнечной энергии происходят в специальных органеллах растительной клетки — хлоропластах. Поэтому хлоропласты можно еще назвать фототрансформаторами, фотогенераторами энергии. В клетках животных, к фотосинтезу неспособных, хлоропластов нет.
Вот мы и добрались до самого интересного — таинства «манипулирования» энергией. Где и как происходят три основных процесса: поглощение, проведение и трансформация солнечной энергии? Главными действующими лицами указанных событий являются специальные светочувствительные пигменты — хлорофиллы. Хлорофиллы могут поступать с энергией следующим образом: поглощать и передавать строго по назначению (это умеют все без исключения молекулы пигмента) и трансформировать световую энергию в химическую (а это по силам единицам).
Теперь по порядку. Солнечный свет улавливается группой из 200–300 молекул хлорофилла, которая называется антенный комплекс. Антенный комплекс представляет собой «воронку», собирающую энергию света и передающую ее к единому реакционному центру. Реакционный центр — это та самая уникальная молекула хлорофилла, обладающая редким, но очень ценным качеством — способностью к трансформации энергии. Не случайно ее еще называют «сердцем фотосистемы». Но вот что удивительно. В одиночку даже эта «сверхспособная» молекула, приняв порцию световой энергии, совершить трансформацию не сможет. В этом случае ее постигнет участь любой «заурядной» молекулы — «вспыхнуть на мгновение и погаснуть», то есть отдать поглощенную энергию в виде тепла и/или световой вспышки. Только тогда эта молекула будет «центром», когда станет центральным звеном в цепочке передачи энергетического импульса. Природа мудра, и в действительности все так и устроено: восприняв световую энергию от антенного комплекса, хлорофилл реакционного центра трансформирует ее и передает дальше по цепочке, которая так и называется — «цепь передачи электрона».
Откуда взялся электрон, и что произошло с энергией света? Под действием света электронейтральная молекула хлорофилла реакционного центра выходит из состояния равновесия и в ней «выделяются противоположности» — разделяются заряды: отрицательно заряженный электрон «вылетает» из молекулы, оставляя за собой положительно заряженное пустое место — «дырку». Выбитый с насиженного места электрон мгновенно перехватывается новой молекулой — первым звеном в «цепи передачи электронов» — и начинает свое путешествие по этой цепи от одного переносчика к другому. Таким образом энергия света трансформируется в энергию движущегося электрона. А что же молекула хлорофилла? Она временно «недееспособна». Чтобы стать готовой к восприятию новой порции солнечной энергии, молекула хлорофилла должна восстановить равновесие — воссоединить пустующую «дырку» с новым электроном. Откуда берется этот желанный электрон? Оказывается, из воды. Под действием света вода расщепляется на ионы водорода (протоны), электроны и кислород. Электроны немедленно заполняют вышеупомянутые «дырки», протоны тоже используются «во благо» фотосинтеза, а вот кислород в дальнейших превращениях не участвует и в качестве «побочного продукта» выделяется в атмосферу.
Стремление к равновесию есть стремление к воссоединению противоположностей. Хлорофилл реакционного центра свое равновесие уже восстановил. А что же с путешествующим по цепи передачи электроном? Им движет тот же самый принцип — стремление воссоединиться с недостающей «половинкой». Напомним, что этот электрон обладает энергией. В начале пути энергия максимальна. Дальше, по мере путешествия по цепи передачи от одного переносчика к другому, энергия электрона постепенно уменьшается. Этот путь можно сравнить с лестницей, ведущей вниз, где верх и низ — уровни энергии движущегося электрона. И чем круче ступенька лестницы, тем больший перепад энергии происходит. Но самое удивительное в том, что эта энергия не теряется, не превращается в тепло, а трансформируется в химическую энергию. Это означает, что энергия движения электрона запасается в виде конкретных молекул-посредников. И эта запасенная химическая энергия уже не рассеивается вовне, не требует дальнейших превращений, а может быть использована по мере необходимости для обеспечения энергетических нужд клетки. Именно этот вид энергии и обеспечивает в растительной клетке собственно синтез питательных веществ.
Что же это за чудесные несущие энергию молекулы-посредники? Это небезызвестная аденозинтрифосфорная кислота, или АТФ. АТФ в биоэнергетике так и называют — «энергетическая валюта». Ею клетка «расплачивается» за все процессы, требующие подачи энергии: транспорт и синтез веществ. А «банком», эту валюту выдающим, служат процессы, в результате которых энергия высвобождается: например, дыхание, брожение и, конечно же, световые реакции фотосинтеза. И мы с вами, «сжигая» пищу в «пламени кислорода», тоже получаем АТФ. Так что АТФ — это, к тому же, универсальная валюта, она едина для всего живого на Земле.
Солнце — источник жизни, и не только потому, что оно согревает нас и освещает окружающие нас предметы. Каждое утро его восход пробуждает нас ото сна, а приход весны ежегодно дарит надежды. Благодаря Солнцу дуют ветры, текут реки, волнуется, «дышит» океан. Солнце дарит энергию, позволяющую возобновлять запасы, расходуемые всеми живыми организмами при росте и дыхании, — синтезировать из «золы» жизненных процессов исходный материал — кислород и органические вещества, основу жизни.