Реклама

ОТКРЫТИЕ ФОТОСИНТЕЗА

Жизнь на Земле основана на фотосинтезе растений: используя энергию Солнца, они обеспечивают животных и человека пищей и кислородом. Поглотив квант света, молекула хлорофилла запускает сложнейший механизм фотофизических, фотохимических, биохимических и иных процессов. Их расшифровкой ученые заняты вот уже 200 лет. По числу публикаций хлорофилл, вероятно, занимает первое место среди всех химических соединений, и этот список непрерывно пополняется.

Почти столетие после открытия Пристли ученые выясняли суть фотосинтеза (об этом рассказано в предыдущем номере журнала). Еще примерно век ушел на то, чтобы рассмотреть детали этого уникального процесса. В статье, публикуемой в этом номере, рассказывается о том, как были открыты и расшифрованы темные” и “светлые” стадии фотосинтеза.

Доктор химических наук Ю. ЧИРКОВ.

СВЕТЛОЕ И ТЕМНОЕ

Свет и тьма, их непреложность, чередование, бесконечный хоровод — так устроена жизнь, и неудивительно, что и растениям необходимо и то и другое. Однако лишь в начале нашего века физиологи растений начали осознавать это, а решающие доказательства были получены лишь в последние десятилетия...

Английский ученый Ф. Блэкман в 1905 году положил начало громадному этапу новейших исследований фотосинтеза. К этому времени о фотосинтезе было известно немногое—только то, что углекислый газ и свет (и вода), исчезая в листе, образуют в нем кислород и глюкозу (крахмал с его гигантскими молекулами весом в 50 тысяч получается из крошечных молекул глюкозы путем полимеризации — однотипного наращивания, так растет снежный ком из снежинок). Но как это происходит? Выражаясь языком кибернетиков, фотосинтез и в начале нашего века был для исследователей “черным ящиком” (эти магические слова означают полное отсутствие знаний о внутреннем устройстве того или иного объекта). Однако Блэкман понимал, что у него в руках две “веревочки” — углекислота и свет,—дергая за которые, он, видимо, кое-что сможет узнать про фотосинтез. В этом и была соль его работы.

Он изменял интенсивность освещения листа. Когда свет очень слабый, продуктивность фотосинтеза (о ней судят по количеству образовавшегося крахмала) целиком зависит от освещения и растет вместе с ним. Но лишь до некоторого предела. Рано или поздно наступает момент, когда фактор освещения перестает действовать.

Как объяснить этот экспериментальный факт? В листе процесс фотосинтеза распадается по крайней мере на две стадии: есть реакции световые, целиком определяемые качеством и количеством света, и темновые, от света не зависящие, идущие даже в темноте.

Через 27 лет после публикации работы Блэкмана был сделан еще один очень важный шаг. Что лучше — яркое солнце над головой, без устали изливающее свои лучи, или же ночная мгла, которая через каждые несколько секунд прерывается короткими солнечными вспышками? Иначе говоря, солнце-прожектор или солнце- маяк? Именно на этот вопрос попытались в 1932 году ответить два американских биохимика—Р. Эмерсон и В. Арнольд. Исследователи освещали растительные клетки короткими вспышками света — импульсами, за которыми следовали периоды темноты.

Выяснилось, что темновая стадия должна быть во много раз длительнее световой, этого требовали сами растения — показателем была их продуктивность. Ученые следующим образом интерпретировали свои данные: во время световой вспышки растение запасает энергию, которая необходима для успешного хода каких-то темновых процессов, видимо, связанных с фиксацией в растении углекислого газа. Этот последний процесс (в отличие от светового) идет медленно, и, пока он не завершится, бесполезно вводить в растение новые порции световой энергии.

Эти давние, сугубо вроде бы научные изыскания имели в наши дни вполне практическое продолжение. Биологи из Ленинградского сельскохозяйственного института соорудили в специальной теплице мигающее солнце. Длящиеся мгновения “дни” сменяют долгие (несколько секунд) “ночи” — такой режим пришелся явно по вкусу растениям, разместившимся на грядках этого рукотворного мирка. Опыт ленинградцев повторили овощеводы Мурманска, Гомеля и других городов: урожаи значительно возросли, а расход электроэнергии резко сократился (при умелом регулировании света, утверждают ленинградские ученые, нужды на электроэнергию в теплицах можно сократить в 400 раз!).

“Светлое” и “темное” в жизни растений. Здесь еще много загадок. Вот хотя бы понятие “урожайный год”. Что это такое? Только ли обилие влаги, тепла, солнца? Оказалось, что нет. У растений бывают дни, когда они растут, словно “на дрожжах”. И это случается, как выяснили те же ленинградцы, если по небу чередой бегут облака, то закрывая, то приоткрывая солнышко... Так возник еще один вариант: держать в теплице постоянный невысокий световой фон (имитация пасмурных дней), а время от времени давать сильные световые удары-вспышки (солнце из-за туч).

И эта пропись физиологов растений оказалась для зелени весьма действенной.

То, что фотосинтез делится на стадии — темновую и световую — было ценным открытием. Но что же все-таки происходит в недрах растительной клетки? Какие именно химические процессы? Что, собственно, катализирует хлорофилл?

Еще одна возможность заглянуть в черный ящик — попытаться выяснить, что служит в растении источником кислорода— вода или углекислый газ? Ведь и то и другое соединение включает в себя кислородные атомы.

Иногда бывает полезно заняться умственным манипулированием исходными и конечными данными, всевозможным комбинированием их. Так в наше время довольно часто действуют физики-теоретики. Например, вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой — теорией групп, американец М.Гелл-Ман в 1963 году, раскладывая всевозможные пасьянсы из накопившегося к тому времени великого множества элементарных частиц, в конце концов пришел к идее кварков —необычных частиц с дробными зарядами (до тех пор заряды всегда оказывались кратными целому числу). Кварки — название заимствовано из фантастического романа ирландского писателя Джойса — вначале были встречены в штыки. Однако теория кварков предсказывала существование новой частицы, которую вскоре и обнаружили. Успех был Полный. В 1969 году Гелл-Ман стал Нобелевским лауреатом.

Приведем такого рода рассуждения и по поводу фотосинтеза. Кажется довольно естественным, что молекула кислорода (О2) в растении выделяется из углекислого газа (СО2), а углерод (С), присоединяя воду (Н2О), образует углеводы — комбинации атомов типа С(НгО), отсюда и название “углеводы”. Так, например, химическая формула глюкозы — одного из первичных продуктов фотосинтеза — СбН12Об; ее можно написать также С(Н2О)б.

Выделить же кислород из воды уже значительно труднее, хотя бы потому, что находящийся в воде атомарный кислород (О) придется объединять в молекулы (О2).

И вот “бумажная” простота восторжествовала. В 1870 году глава немецких химиков-органиков Иоганн Фридрих Вильгельм Адольф фон Байер выдвинул гипотезу о формальдегиде, и она прочно утвердилась в ботанической литературе. Формальдегид — простейший из углеводов (СН2О), это, утверждал Байер, и есть тот кирпичик, из которого в растении складывается все остальное. Шесть молекул формальдегида должны дать одну молекулу глюкозы. И действительно, при полимеризации формальдегида в колбе могут образовываться сахароподобные вещества. Это еще в 1861 году впервые продемонстрировал выдающийся русский химик Александр Михайлович Бутлеров.

Но одно дело — стеклянная колба, другое— живой лист! Начались поиски. В растительных клетках искали формальдегид. На это ушли многие десятки лет. Обнаружили: формальдегид крайне ядовит для растений. Но, возражали сторонники Байера, в клетке формальдегид превращается в глюкозу чрезвычайно быстро, и он присутствует там в ничтожных дозах.

Превращение формальдегида в сахар в химической лаборатории — весьма длительная процедура. Но и на это нашелся ответ у приверженцев формальдегидной теории: то, что трудно нам, людям, с тем шутя справляются растения, ферменты которых сокращают долгие часы реакций до мгновений.

Гипотеза Байера была проста, изящна, а потому казалась верной. На протяжении почти трех четвертей столетия ее изложение можно было найти в любом учебнике. Только очень мощный толчок мог поколебать и опрокинуть этот устоявшийся взгляд. Необходимо было на старую биологическую проблему взглянуть свежими глазами другой науки. И это сделала физика.

Способность изотопов метить атомы и молекулы дала ученым мощнейший инструмент, который позволил наконец заглянуть в святая святых растительной клетки и многое понять в ней.

В 1941 году группа американских химиков, возглавляемая С. Рубеном и М. Каменом, провела решающие опыты. Водорослям дали “попробовать” водички, предварительно обогащенной изотопом О18. Растительные клетки начали выделять кислород, в котором концентрация О18 стала также аномально высокой. Затем исследователи пометили углекислый газ (атомы углерода окисляли тяжелым кислородом О18) и дали его водорослям (вода в этой серии опытов оставалась непомеченной); теперь образующийся в процессе фотосинтеза кислород также был “чистым”, без метки. Сомнений больше не осталось: источником кислорода в растениях является все-таки вода, а не углекислый газ, как полагали прежде.

Вопрос о происхождении кислорода в растительной клетке был одновременно решен двумя группами исследователей.

Войска Гитлера рвутся к Москве, на окраинах города женщины и подростки строят укрепления. Бомбежки, ночные дежурства... И в это время в одном из тихих переулков Москвы в биогеохимической лаборатории Академии наук идут удивительные для тех суровых времен опыты. Александр Павлович Виноградов (будущий академик) и сотрудница лаборатории Руфина Владимировна Тейс выпытывали” у растений; чей же, собственно, кислород — воды или углекислого газа — они выделяют в атмосферу?

Методика работы советских ученых отличалась от американской. Советские ученые воспользовались тем обстоятельством, что в углекислом газе тяжелых изотопов кислорода больше, чем в воде. Оставалось сравнить изотопный состав воды, углекислого газа и выделяемого растениями кислорода. Советские ученые пришли к тому же выводу, что и американские (открытие было сделано одновременно): растения извлекают кислород из воды, а не из углекислого газа.

Вскоре аналогичные опыты с использованием самой совершенной аппаратуры стали проводить в лабораториях Лондона, Токио и других городов мира. Результаты оказались неожиданными: изотопный состав воды и кислорода в разных опытах все же не совпадал полностью. Содержание О18 в кислороде изменялось от опыта к опыту. Возникло подозрение: часть кислорода (от 15 до 30%) все же отщепляется и от углекислого газа.

Почти 20 лет шла эта научная путаница. Никто толком ничего не понимал, пока наконец в 1960 году теперь уже академик Виноградов вместе со своим сотрудником Владимиром Михайловичем Кутюриным не внес в это дело решающую ясность. Кислород растения получают все-таки из воды, а причина недоразумений в дыхании растений. Дыхание у растений переменчиво, оно зависит от многих условий. Потому и изотопный состав кислорода в опытах неустойчив.

Ну, а почему в кислороде тяжелых изотопов больше, чем их содержится в “материнской” воде? Выяснилось: растениям “по вкусу” (при дыхании они поглощают кислород) не любой изотоп кислорода, они отдают явное предпочтение самому легкому из них—изотопу О16. Ученые установили также: чем хуже чувствует себя растение, тем более оно разборчиво, предпочитая только О16. Но расскажем по порядку о том, что происходит в растительной клетке.

Растение извлекает кислород из воды, и тут изотопный состав кислорода газообразного и кислорода, содержащегося в исходной воде, одинаков. Но затем в процесс вмешивается дыхание и смазывает всю картину. Растение отбирает преимущественно легкую фракцию изотопов кислорода, в результате остающийся кислород утяжеляется — тяжелых изотопов в нем становится все больше. Вот она, разгадка!

Так в длящемся почти целый век споре исследователей была наконец поставлена последняя точка. И сделали это советские ученые.

Изотопы стабильные хороши для исследования, однако радиоактивные изотопы — гораздо лучше. Никакие, даже самые чувствительные весы не уловят разницу между стабильными изотопами, скажем, О16 и О18. Тут нужны масс-спектрометры, которые действуют следующим образом. Прежде всего исследуемое вещество переводится в газообразное состояние. Затем его ионизируют, обстреливая из электронной пушки, поток полученных ионов направляют в магнитное поле (в этой камере создан высокий вакуум). Здесь изотопы и разделяются: ионы разного веса (О16 и О18) движутся в магнитном поле по разным траекториям— чем легче ион, тем он сильнее отклоняется от первоначального пути. Так наконец получается искомый спектр масс.

Значительно проще с изотопами радиоактивными. Тут каждый “взрывающийся” атом может обнаружить, проявить себя, к примеру, в портативном и простом в обращении счетчике Гейгера — Мюллера, Отпадает и надобность в достаточно больших количествах анализируемого с помощью масс-спектрометра вещества. Другое достоинство радиоизотопов — за ними можно следить на всех этапах исследуемого процесса, изучая не только вещества на “входе” и “выходе”, но и промежуточные званья долгой цели превращений.

Посмотрим, что здесь приготовила исследователям сама природа.

Начнем с водорода. У него радиоактивен только тритий, самый тяжелый изотоп (он был обнаружен в 1939 году). Водород — участник очень многих процессов в клетке. Но, к сожалению, он и самый подвижный из атомов: скачет от молекулы к молекуле, охотно меняя места. Как метка, индикатор он бесполезен. Ведь метка ценна, если она крепко “привязана” к какому-то узлу клетки, помечая, выделяя его.

Обратимся теперь к кислороду. Кроме стабильных изотопов О16, О17 и О18, известны и нестабильные изотопы: О14, О15, О19. Можно ли их использовать? Увы, нет! Все радиоактивные изотопы различаются периодом полураспада; тем временем, в течение которого половина исходных атомов выйдет, так сказать, из строя, развалится. Период полураспада урана-238 — 4 500 000 000 лет. А у изотопов О14, О15 и О19 — всего лишь 1,23, 2,05, 0,50 минуты. За такое время исследователь не успеет ничего сделать.

Проследить путь углекислого газа в растительных клетках — об этом мечтали многие поколения ученых. Ведь углерод — элемент необычный. Это — ключевое вещество всего живого, состоящего преимущественно из углеродных соединений. Собственно, все возникновение жизни на Земле — это сложный процесс эволюции углеродных соединений.

Кроме стабильных изотопов углерода — С12 и С13, в конце 30-х годов были уже известны и радиоактивные. Наибольшим долгожителем среди них был изотоп С11 — его период полураспада равен примерно 20 минутам. Тоже не такое большое время, но кое-что уже можно сделать.

1940 год. Радиационная лаборатория Калифорнийского университета. Уже упоминавшиеся С. Рубен, М. Камен и их сотрудники с помощью изотопа С11 исследуют фотосинтез. Трудное это было дело) Ведь через 20 минут в руках останется лишь половина исходных атомов-меток, через час — восьмая часть, через два часа — 1/б4 и так далее. Изотопы тают на глазах, словно лед. И за эти два-три часа надо успеть синтезировать радиоактивный углекислый газ, ввести его в растение, в котором произойдут различные метаморфозы исходного радиоактивного углерода. Требовалась дьявольская изворотливость, быстрота. Радиоизотопы в те времена были еще очень дороги, редки и крайне опасны в обращении. Рискуя здоровьем, подвергаясь многократному облучению (техника защиты от радиации тогда только делала свои первые шаги), работали ученые.

Труд был опасен и тяжел, а результаты (увы!) очень скромны. Было показано, что вопреки предсказаниям углекислый газ присоединялся не к хлорофиллу, а к какому-то Сложному органическому соединению с молекулярным весом, примерно равным тысяче. Но самым досадным результатом было то, что уже через считанные минуты радиоактивная метка обнаруживалась сразу в десятках мест.

Значит, требовалось отделить, так сказать, “плевелы от пшеницы”: меченые молекулы — от остальных. И тут требовались не только изощренные биохимические приемы, но и немалое время, которого не давал изотоп С11.

Нужен был долгоживущий радиоактивный изотоп углерода. Успех пришел в 1940 году. Ученые бомбардировали углерод С12 дейтерием и наконец получили радиоизотоп С14. Этот изотоп неожиданно оказался долгожителем—период его полураспада 5 770 лет.

Теперь можно было следить за любым, даже самым медлительным процессом, идущим в живой ткани. И в то же время этот период полураспада был и не слишком длинен: число распадов в единицу времени оказалось достаточно большим, чтобы можно было уловить их с помощью существующих тогда приборов.

Углерод С14 изменил лик биохимии, с его помощью было сделано не одно важное открытие...

Удача, говорят, не приходит одна. В 1944 году два английских биохимика Арчер Мартин и Рихард Синг радикально усовершенствовали хроматографический метод, созданный в начале этого века русским ученым Михаилом Цветом для разделения пигментов и других смесей молекул.

Хроматография старая (в колонках) имела ряд недостатков: количество исследуемого вещества должно было быть немалым; трудоемкой оказывалась процедура извлечения нужных компонентов из пор колонки. Мартин и Синг заменили колонку из порошкообразных адсорбентов — мела, сахарной пудры, талька (анализируемые вещества распределялись в колонке в виде узких колец) промокашкой, специально подобранной фильтровальной бумагой.

Теперь на полоску фильтровальной бумаги (в один из уголков) наносили каплю раствора, в ней была смесь подлежащих разделению веществ. После просушки этот же уголок опускали в растворитель. Двигаясь по бумаге, увлекаемый капиллярными силами, растворитель несет с собой и части анализируемой смеси, и каждый компонент оседает на листке в разных местах. Затем хроматограмму проявляют, обрабатывая листок бумаги химикалиями, дающими во взаимодействии с разными веществами смеси различные цветовые реакции. И листок расцвечивается ярким узором: каждая составляющая смеси как бы расписывается на нем... (За это открытие в 1952 году Мартин и Синг были удостоены Нобелевской премии по химии.)

И еще один необычайно удобный метод исследований вскоре оказался в руках ученых — авторадиография. Ведь радиоактивное излучение оставляет след на эмульсии фотопластинки, радиоизотопы способны как бы сами себя фотографировать, так что можно проследить, в каких именно клетках, клеточных структурах оседает радиоактивный изотоп, локализуется то или иное вещество. (Именно так ученые узнали, что фосфор и сера, содержащиеся в суперфосфате, в основном идут в листья растений, туда, где происходит процесс фотосинтеза. Для этого к суперфосфату добавили радиоактивные фосфор Р32 и серу S35. А затем картину распределения этих элементов сфотографировали, получив нечто вроде рентгеновского снимка).

Итак, в середине 40-х годов ученые, изучающие фотосинтез, владели всем необходимым; можно было смело приступать к решающей атаке и попытаться выяснить пути превращения в растении углекислого газа.

Эстафету научного поиска в послевоенные годы подхватил биохимик Мелвин Кальвин (Калифорнийский университет).

Вначале приемы работы были незатейливы. Брали лист растения, помещали его в камеру с меченым углекислым газом, выжидали некоторое время (лист был освещен, в нем шел процесс фотосинтеза), а затем лист погружали в спирт. Эта мера, по мысли ученых, должна была остановить течение биохимических процессов в листе, “заморозить” их на какой-то вполне определенной стадии. Однако мгновенно “убить” лист, сразу и одновременно выключить (как свет в комнате) все процессы в нем никак не удавалось. Пока спирт проникнет в лист, дойдет до центров фотосинтеза — хлоропластов, проходит не сколько секунд; вроде бы немного, но за это время успевает совершиться множество биохимических реакций, меченые углеродом продукты фотосинтеза по инерции вступают в новые связи с другими молекулами,— стройная картина фотосинтеза оказывается смазанной...

Не сразу созрела спасительная мысль взять объектом исследований одноклеточную водоросль — хлореллу. Благодаря микроскопическим размерам спирт тотчас выводит из строя ее ферменты, и процесс фотосинтеза замирает. Теперь исследователям предстояло выяснить, какие же химические соединения в “замороженной” клетке хлореллы окажутся помеченными углеродом С14.

И вновь проблемы! Уже через минуту радиоактивный изотоп составлял часть “плоти” по крайней мере 15 различных молекул. Среди них были не только сахара, но и аминокислоты — составные части белков. Оставалось одно — максимально сокращать время от начала фотосинтеза до момента, когда он останавливается (до секунд и даже долей секунды). Только тут была надежда обнаружить самые первые продукты фиксации меченого углекислого газа.

Работу группы Кальвина смело можно сравнить с археологическими раскопками. По отдельным меченым молекулам ей предстояло восстановить всю сложную цепь, последовательность фотосинтетических превращений. Исследователи дробили клетки хлорелл в центрифугах, с помощью бумажной хроматографии разлагали молекулярные смеси на составляющие, идентифицировали их, а авторадиография указывала те молекулы, где в момент остановки фотосинтеза “застревал” меченый углерод.

По мнению Кальвина и его сотрудников, самым первым продуктом фотосинтеза оказалась фосфоглицериновая кислота.

И снова загадки. Чтобы из молекулы углекислого газа — СО2,— содержащей один атом углерода, получить трехуглеродное соединение, требовался двух- или хотя бы одноуглеродный предшественник. Но вот его-то никак и не могли найти. Зато обнаружили довольно сложные пяти- и даже семиуглеродные соединения... Долго и непросто рассказывать о всех перипетиях исследований (они длились целое десятилетие). Изложим сразу конечные результаты. То, что сейчас в энциклопедиях и учебниках стало историей науки и значится как углеродный цикл, цикл Кальвина, цикл регенерации рибулозодифосфата...

Принцип работы этого цикла в следующем: углекислота прежде всего связывается с акцептором (биохимическая терминология означает этим словом вещество, принимающее в свой состав различные атомы или атомные группы) — рибулозодифосфатом, сокращенно РДФ.

Эта молекула, давшая циклу одно из его имен, имеет вид:

В ней пять атомов углерода и два атома фосфора. Соединяясь с молекулой углекислого газа, РДФ образует шестиуглеродное соединение, которое затем разваливается, распадается на две трехуглеродные (вот она разгадка!) молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Далее шествует сложная цепь превращений, в которую включается и отщепленный от воды водород (мы помним, что на свету растение расщепляет воду, выделяя в атмосферу кислород). Образуются последовательно триозофосфат, гексозофосфат и сахара — конечные продукты, выходящие из цикла. Часть же промежуточных соединений сложными путями возвращается в цикл. Что и приводит к регенерации исходного РДФ. И восстанавливается исходная позиция этой биохимической карусели, цикл готов прокрутить еще один оборот: обновленная молекула РДФ готова принять новую, только что поступившую из воздуха молекулу углекислоты...

(Мы нарисовали — и довольно грубо — лишь основной каркас этого процесса, умолчав о многих существенных деталях, о роли разнообразных ферментов, участвующих в цикле, о целом комплексе условий, обеспечивающих исключительно тонкую “настройку” всего этого механизма.)

Позже было доказано, что цикл Кальвина успешно действует не только в хлорелле, но и в хлоропластах высших растений и во многих других способных к фотосинтезу живых объектах.

В заключение отметим важное обстоятельство! Все биохимические превращения цикла Кальвина могут идти в полной темноте. Между тем для образования Сахаров и других продуктов из исходных углекислого газа и воды требуется энергия. И немалая. Откуда она берется? Энергию растениям дает свет. Это так, но до сих пор оставалось неясным, в какой форме его энергия доходит до углеродного цикла.

Как молекулам хлорофилла удается поймать и, главное, удержать энергию световых лучей! Ведь хлорофилл может “высветить” энергию, и она потратится впустую.

Среди многообразных соединений органической химии красители (а все пигменты, которыми наполнены хлоропласты растений, это и есть красители) отличаются интенсивным поглощением видимого света, что обусловливает их яркие цвета. Красители — мощные приемники солнечной радиации, именно они способны превращать ее в иные формы.

Советский физико-химик академик Александр Николаевич Теренин, всю жизнь изучавший взаимодействие света и вещества, не мог поэтому не увлечься красителями и пигментами. Эта тема на долгие годы становится одной из ведущих на его фотохимических семинарах. Как происходят элементарные фотопроцессы в молекулах красителя? Как создать искусственные системы для эффективного химического использования солнечного излучения, системы, способные конкурировать с естественными? Это была очень сложная программа исследований в очень трудной области.

Свет — это и электромагнитная волна и поток световых квантов — фотонов. Каждый фотон несет сгусток, порцию, квант энергии. И хотя, по нашим обыденным меркам, энергия отдельного кванта света и ничтожна, для молекулы, поглотившей фотон, это крупное событие. Например, квант коротковолнового ультрафиолетового света вызывает в молекуле красителя такие разрушения, что его действие можно сравнить с последствием прямого попадания крупнокалиберного снаряда.

Замечательное свойство фотосинтеза в том и состоит, что растения (вернее хлорофилл) умеют продуктивно использовать такие мелкие (в сравнении с ультрафиолетом) порции энергии, как кванты красного света, в большом количестве присутствующие в солнечной радиации.

Молекула красителя способна поглотить только один фотон. При этом она приходит в так называемое “возбужденное состояние”. Это значит, что один из ее электронов изменяет свой “статус”: перескакивает на более высокий энергетический уровень. Энергия поймана — теперь ее надо удержать!

Тут начинаются варианты: возбужденное состояние молекулы называется синглетным, если переход электрона вверх по энергиям не сопровождается изменением знака его спина (“спин” по-английски — “волчок”, это характеристика вращения электрона вокруг своей оси). Синглетному состоянию (или просто синглету) в спектре поглощения соответствует лишь одна линия (отсюда и английское название single — один, единственный).

Другой вариант — триплетное состояние возбужденной молекулы. Теперь электрон при переходе меняет знак спина (волчок переворачивается вниз головой). В спектре появляется не одна, а сразу три характерных линии (отсюда и название —“триплет”).. Синглет и триплет различаются и временем жизни. Синглетные молекулы живут в возбужденном состоянии очень мало, примерно 10—9 секунды, а триплетные — уже порядочно, 10-3 секунды,— разница в шесть порядков.

В 1943 году академик Теренин обосновал ныне общепринятые представления о том, что у хлорофилла фотохимически активным состоянием является именно долгоживущее триплетное состояние. Годом позже, в 1944 году, американский физико-химик Дж. Льюис независимо от Теренина высказал ту же мысль. После окончания войны, ознакомившись с советскими работами, Льюис обратился к Теренину с письмом, в котором признавал его приоритет.

Обычный зеленый хлорофилл (это его основное состояние) — довольно малоактивное вещество. Однако возбужденный светом хлорофилл совершенно непохож на этот зеленый пигмент. В триплетном состоянии даже его окраска меняется: он становится красно-коричневым. Мы этого не замечаем, так как неспособны уследить за процессами, идущими 10~3 секунды. Превратившись из зеленого в красно-коричневый, перейдя в свое активное, рабочее состояние, хлорофилл готов действовать дальше.

В книге “Биоэнергетика” (1957) Альберт Сент-Дьёрдьи писал: “Проблема ставится так: каким образом энергия управляет жизнедеятельностью? Как она приводит в движение живую машину?..”

Специально фотосинтезом Сент-Дьёрдьи никогда не занимался, но последние десятилетия (особенно показательна здесь его книга “Биоэлектроника”, вышедшая в 1968 году) он неустанно размышляет над путями преобразования энергии в живых клетках.

Итоговая, суммарная картина фотосинтеза ясна. Энергия света перестраивает химические связи в исходных молекулах углекислого газа и воды. Вместо прежних связей углерод — кислород и водород — кислород возникает иной тип химических связей: углерод — водород и углерод — углерод.

Однако процесс образования углеводов (цикл Кальвина) идет в темноте. Откуда же берется энергия? Разъяснения (принцип, общий подход к вопросу) дает Сент-Дьёрдьи: “С какой бы стороны мы ни пришли к биологии — со стороны ли материи или со стороны энергии,— мы так или иначе придем к электронам. Удивительно тонкие биологические реакции, по всей вероятности, представляют собой реакции очень мелких лабильных единиц, каковыми являются электроны”.

Дело происходит так. Поглотив фотон красного света, хлорофилл переходит в возбужденное триплетное состояние. Обладающий избытком энергии один из электронов этой молекулы по сложной цепочке ферментов (“цепь электронного переноса”, так ее называют), покинув хлорофилл, “уходит” в цикл Кальвина. Потеряв электрон, хлорофилл оказывается заряженным положительно: в нем образуется, как выражаются физики, электронная “дырка”. Это вакантное, привлекательное для электронов место (разноименные заряды притягиваются) в результате каких-то пока еще полностью не изученных процессов “затыкает” электрон одной из ближайших молекул воды. Вода при этом “разваливается”: ее кислород (мы сильно схематизируем истинное положение дел, чтобы было понятным главное) выделяется в атмосферу, а оставшийся протон устремляется в цикл Кальвина. Молекула же хлорофилла, вернув потерянный прежде электрон, возвращается в исходное, “зеленое” состояние. Она готова к новому циклу 1 Превращения хлорофилла — поглощение фотона, потеря и возвращение одного из электронов,— составляющие суть “светлого” — это все процессы быстрые. Поэтому эта стадия фотосинтеза идет довольно споро. Напротив, миграция электрона (покинувшего молекулу хлорофилла) и протона (осколок молекулы воды) в цикл Кальвина, свершение в этом цикле длинного ряда биохимических процессов — все это требует уже гораздо большего времени. Поэтому “темное” во времени растянуто гораздо больше, нежели “светлое”.

Мы сильно упростили реальную картину, обрисовав лишь ее скелет, совсем не касаясь многих тонких вопросов, подлежащих компетенции новой области биологии — квантовой биохимии (ее основателем считается Сент-Дьёрдьи). Квантовая биохимия, представляющая собой приложение законов современной квантовой механики к вопросам биологии, ведет анализ на субмолекулярном уровне, на уровне электронных взаимодействий.

Но мы все-таки ушли от ответа: как же энергия электрона преобразуется в энергию химических связей? В подробностях этого пока еще никто не знает, понятна лишь следующая аналогия. Электроны, эти движители жизни, достигают в молекуле хлорофилла (после поглощения ею кванта света) высокого энергетического состояния. Они как бы взбираются на высокую горку (мальчишки с санками). С этого высокого энергетического уровня электроны скачками, как скатывающийся по лестнице шар, спускаются на более низкие уровни. Жизнью движет энергия, отдаваемая электронами на каждой ступеньке этой лестницы.

И опять (в который раз) вечный круговорот. Квант света поднимает электрон вверх “по лестнице”, затем он (электрон) самопроизвольно спускается вниз, даря энергию всему живому; после новый фотон вздымает электрон (уже другой)... и так до бесконечности.

Но ночью Солнце не светит, а энергия нужна клеткам постоянно. Как быть? Природа, оказывается, решила и эту задачу. Она научилась как бы консервировать энергию бегущих вниз электронов. В растениях этот процесс носит название фотосинтетического фосфорилирования. Открыл его в 1954 году американский биохимик Арнон. Этот ученый осуществил-таки мечту русского академика Фаминцина, заставив жить обособленно выделенные из растительной клетки хлоропласты — клеточные органеллы, целиком специализирующиеся на фотосинтезе.

Слово “фосфорилирование” означает образование богатой энергией фосфатной связи в молекуле аденозинтрифосфата, сокращенно — в молекуле АТФ. Аденозиндифосфат — сокращенно АДФ — соединяется с еще одним фосфатом (Ф), образуя АТФ. Молекула АТФ — это энергетическая “валюта” всякого организма — от микроба до человека. Любой процесс в клетке черпает энергию из молекул АТФ, которая выделяется, когда АТФ расщепляется (обратная реакция) на АДФ и Ф.

Образование молекул АТФ (запасание энергии в удобной форме) в любой клетке идет в специализированных органеллах — митохондриях, этих энергетических фабричках живого организма.

Так вот, прежде полагали, что и энергия, необходимая для фотосинтеза, черпается из того же источника: из синтезируемых в митохондриях молекул АТФ. Однако в 1954 голу Арнон показал, что это не так. Хлоропласты, как оказалось, полностью автономны; они сами снабжают себя энергией: при освещении изолированных хлоропластов в них из АДФ и неорганического фосфата также образуется АТФ. Этот процесс и называется фотосинтетическим фосфорилированием в отличие от окислительного фосфорилирования, идущего в митохондриях, где молекулы АТФ образуются не под действием света, а при окислении кислородом воздуха углеводов и жиров — этих конечных продуктов фотосинтеза.

С точки зрения живой энергетики (биоэнергетики, идущей в любой клетке) АТФ — очень удобное соединение. Однако эти молекулы не могут накапливаться в клетках в очень больших количествах, так как при этом развилось бы чересчур высокое осмотическое давление. Поэтому энергия АТФ переводится в такую форму, в которой она уже может запасаться практически в неограниченном количестве. В любом растении изготовленные при помощи света АТФ используются для синтеза жиров и углеводов. Последние нерастворимы, они не меняют осмотического давления клетки, а потому и могут откладываться про запас.

Это и есть та пища (читай: энергия), которую растения изготавливают как для собственных нужд, так и на потребу всему животному миру. Эти склады энергии в случае необходимости могут затем (уже в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования) снова превращаться в молекулы АТФ (в нужном месте, в нужном количестве).

И еще одно замечание. В большинстве европейских языков прежде вместо слова “фотосинтез” употребляли выражение “ассимиляция углекислоты”, тем самым подчеркивая, что главное в этом процессе— синтез углеводов и других органических продуктов.

Сейчас взгляды начинают изменяться. Двухвековые исследования фотосинтеза (и особенно усилия ученых в последние 2—3 десятка лет) показывают: уникальность фотосинтеза в ином. Самое сложное здесь (что умеют растения, но пока еще не могут люди)—- процесс непосредственного преобразования солнечной энергии (квантов света) в энергию химических связей (образование АТФ в фотосинтетическом фосфорилирования и выделении из воды химически активного водорода). Самое трудное — это познать тайны “светлого”!

Москва. Ленинский проспект, 33. Институт биохимии имени А. Н. Баха Академии наук СССР, лаборатория фотобиохимии, которой вот уже два десятка лет руководит академик Александр Абрамович Красновский.

Во время бесед с сотрудниками лаборатории я узнал и о феофитине. Если из молекулы хлорофилла удалить магний, то получится его безмагниевый аналог — феофитин, так сказать, оправа без драгоценного камня.

При выделении хлорофилла из крапивы (стандартная процедура) феофитин получали не раз, но считали, что это лишь результат деструкции, разрушения молекулы хлорофилла, словом, издержки производства. Обнаружили, что это не так, совсем недавно, когда вплотную занялись изучением так называемых реакционных центров— тех структурных единиц в хлоропласте, где и происходит первичное преобразование света.

— Понятно, с каким интересом и надеждой занимаются ученые исследованием этих объектов. То, что я рассказываю,— продолжает Красновский,— события последних двух-трех лет. Это еще, если можно так выразиться, совсем горячие следы науки. Работа ведется преимущественно в ряде лабораторий США и СССР; пока изучены лишь реакционные центры пурпурных бактерий.

— Применяются тончайшие методы разборки биологических структур. Живая ткань растений, будто детские кубики, разбирается на отдельные блоки, подсистемы. Здесь помогают детергенты — поверхностно-активные вещества, растаскивающие, разъединяющие отдельные компоненты системы, и изощренная техника выделения частей целого.

— В бактериях (в высших растениях пока, увы, нет) удалось получить этот центр в чистом виде и проанализировать. И вот здесь исследователей ждала неожиданность: основными кирпичиками реакционных центров оказались не только молекулы хлорофилла, но и феофитина! Того самого феофитина, который так долго третировали. Выяснилось, что система хлорофилл — феофитин, по-видимому, является универсальным участником эстафеты переноса электрона в реакционных центрах любого фотосинтетика...

...Исследования фотосинтеза вступили в третью, очень важную стадию. Почти столетие после открытия Пристли ученые выясняли суть фотосинтеза, по существу, они дали определение этому процессу. Ответили на вопрос, что происходит, кто участники, что получается в итоге. Еще примерно век ушел на то, чтобы рассмотреть детали, подробности этого уникального процесса, получить ответ на вопрос “как”. Здесь было открыто “светлое” и “темное”, прояснен их смысл.

Было сделано немало, но и число вопросов, проблем за это время также неизмеримо возросло. Сейчас исследователи уже жаждут ответов на вопрос “почему”. Начинается третий, решающий этап изучения фотосинтеза.

Структура — вот пароль новейших исследований. Если здоровый, способный к фотосинтезу зеленый лист растения, лежащий на стекле, легко прокатать стеклянной палочкой, то, сохранив в себе все химические компоненты, лист все же утеряет способность к фотосинтезу. Этот простой опыт наглядно демонстрирует важность структуры в живых тканях. Все физические и химические ингредиенты должны быть вобраны, упакованы вместе в совершенно определенную целостную структуру. Так, гем без несущего его на себе белка — глобина — теряет свои замечательные свойства. И хлорофилл, его дееспособность теснейшим образом связана с белковыми и иными структурами.

Изучить хлорофилл и феофитин, действующие не в искусственно приготовленных растворах, а в живых белково-липоидных комплексах на биологических мембранах,— это и есть высший и наиболее трудный этап в изучении пигментов растений.

Hosted by uCoz