Фотосинтез зеленых организмов

Человечество занимается растениеводством тысячелетия, но сегодня приходится признать, что жизнь растений, которые нас кормят, мы знаем еще плохо. Что нужно, скажем, пшеничному колосу для нормального развития? Мы говорим: свет, тепло, питание, вода… А сколько тепла, сколько влаги, сколько света, сколько питания? И дело разве только в количестве? К примеру, возьмем свет. Каким должен быть он по спектру, интенсивности, продолжительности? И хотя точного ответа сегодня пока нет, тем не менее очевидно, что всякая деятельность земледельца, направленная на повышение урожая, так или иначе связана с управлением фотосинтезом зеленых организмов.
Ученые утверждают: чтобы сформировать урожай пшеницы в 40 центнеров с гектара, растения должны усвоить около 20 тонн углекислого газа, фотохимически разложить около 7,3 тонны воды, а также выделить в атмосферу около 13 тонн кислорода. Фотосинтез – создание, творение светом, преобразование световой энергии в химическую. Самое обыденное, распространенное на планете явление и в то же время самое сложнейшее, самое невидимое.
И никто, кроме растений, не умеет это делать. Все последующие процессы в живой природе, в том числе и наша жизнь, сводятся только к расходованию колоссальной энергии, накопленной в организмах зеленых растений. Да, мы живем на планете растений, растения царствуют на Земле. Четыре миллиарда семьсот миллионов лет тому назад образовалась Земля. Но только спустя миллиард лет на ней появилась жизнь. С тех пор мириады живых существ возникали и исчезали с лица Земли, а вот пионеры живого – синезеленые водоросли, сумевшие первыми уловить и поглотить солнечный свет, существуют и сейчас.
Неоценима их заслуга в эволюции жизни на планете. Они образовали собой ту питательную среду, с помощью которой образовалось великое множество разнообразных живых существ на Земле, в том числе и человек – высшая ступень эволюции, сила, преобразующая мир. Да, мы преобразуем мир и познаем его все глубже и глубже. Но всякая попытка установить происхождение жизни на Земле, раскрыть таинства живого неизбежно приводит к проблеме фотосинтеза. Оказывается, от него зависит благополучие наше, может быть, и существование.
Надо сказать, что в научном плане проблема фотосинтеза не такая древняя, хотя, по-видимому, уже первобытный человек мог заметить, что без света растение жить не может так же, как и без воды. Первым, кто догадывался о роли света в жизни зеленых организмов, был Джонатан Свифт, автор книги «Путешествие Гулливера» (1726). В этой книге он рассказал об одном ученом из анекдотического учреждения – Академии Лапуты, занимавшемся проблемой огурца.
Этот ученый считал, что огурец поглощает солнечный свет, а его задача – извлечь этот свет обратно и как-то использовать его в интересах лапутян. На рубеже XVIII-XIX столетий ряд замечательных ученых: англичанин Джозеф Пристли, швейцарец Жан Сенебье, француз Антуан Лавуазье, немец Роберт Майер и некоторые другие выяснили, что зеленые растения на свету способны исправлять воздух, испорченный горением или дыханием животных.
Этот процесс происходит в результате того, считали они, что растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, но для всего этого нужна энергия света. Эти идеи настолько увлекли нашего выдающегося соотечественника Климента Аркадьевича Тимирязева, что он посвятил проблеме фотосинтеза всю свою жизнь.
«В зеленом цвете, этом самом широко распространенном свойстве растений лежит ключ к пониманию главной космической роли растения в природе, – писал он. – Можем ли, однако, вполне удовлетвориться этим ответом? Может ли физиолог сложить руки, почесть свою задачу исчерпанной? Сказано ли этим последнее слово о хлорофилле? Конечно, нет.
Потребуются ещё поколения ученых, быть может, второе столетие, пока будет сказано это последнее слово. Но, что же будет означать это последнее слово? А вот что. Физиологи выяснят в малейших подробностях явления, совершающиеся в хлорофилловом зерне. Химики разъяснят и воспроизведут вне организма его процессы синтеза.
В результате получат образование сложнейших органических тел – углеводов и белков, исходя из углекислоты; физики дадут теорию фотохимических явлений, выгоднейшей утилизации солнечной энергии в химических процессах». Современная наука только сейчас прокладывает те направления, которые были подсказаны великим русским ученым. Проблема фотосинтеза разрабатывается в настоящее время усилиями специалистов многих профилей – физиологов, биологов, физиков, химиков и т. д.
Фотосинтез – процесс углеродного питания растений, в ходе которого из несложных неорганических веществ за счет энергии света образуются сложные органические вещества. Совместными усилиями биофизиков, биохимиков и других исследователей удалось расшифровать тонкие и сложные механизмы фотосинтеза. Они установили, что фотосинтез имеет две решающие стадии – световую и темновую. Во время световой стадии происходит запасание энергии; она нужна для синтеза веществ и других процессов жизнедеятельности.
В темновой период из углекислоты и воды образуются углеводы. Вы, наверное, знаете строение клетки хотя бы в общих чертах. Напомним, что в любой клетке есть мембраны, которые защищают ее от внешней среды. Целый ряд образований внутри клетки, ответственных за важнейшие процессы ее жизнедеятельности – хлоропласты фотосинтез), митохондрии (дыхание), ядро (размножение), тоже окружены своими мембранами. Её строение видно на рисунке.
И вот где-то здесь, в этой немыслимой глубине, скрыта таинственная сила растений. Английский биохимик Питер Митчелл в 1961 году высказал гипотезу: живая клетка является миниатюрной электростанцией. Идея эта, как и следовало в то время ожидать, вызвала у большинства ученых скептицизм и даже смех. Но это не смутило исследователя.
В своей самодеятельной лаборатории путем неопровержимых опытов им была блестяще подтверждена высказанная мысль и тем самым совершено выдающееся открытие. В 1978 году П. Митчелл был удостоен Нобелевской премии. А уже совсем не так давно – ученым – членом-корреспондентом АН В. П. Скулачеву и доктору биологических наук В. А. Либерману удалось не только подтвердить, но и развить эту гипотезу.
В чем же заслуга этих ученых?«В митохондриях происходит преобразование энергии света химическим путем. Конечным продуктом этого процесса является аденозинтрифосфат, или коротко – АТФ. Все это происходит в митохондрии, где замысловато упакована ее внутренняя мембрана. На ней-то и возникает разность потенциалов, то есть электрическое поле», – заявил Митчелл.
Все, кто смеялся над этой гипотезой, были уверены, что доказать ее экспериментально просто невозможно, ибо митохондрия имеет размер около микрометра, а попытки ввести в нее электроды, чтобы измерить разность потенциалов, заканчивались так же, как и стремление проникнуть в мыльный пузырь.
Но это не остановило советских ученых. Если на живой клетке эксперимент невозможен, рассуждали ученые, то процессы, происходящие в ней, можно имитировать… Представьте себе ванночку, перегороженную на два разных отсека. Они сообщаются только через искусственную мембрану. Она очень тонкая, настолько, что ее толщина меньше длины волны света. Поэтому она невидима. Но не в этом суть. Сейчас для нас важно то, что эта мембрана способна пропускать из одного отсека ванночки в другой заряды только определенного знака.
В один отсек поместим раствор, содержащий митохондрии, а в другой – обычный физиологический раствор. Электроды микровольтметра опущены в оба отсека и способны с полной беспристрастностью зафиксировать любое наличие электричества. Сейчас мы предложим митохондриям лакомство в виде витамина С. И стрелка прибора фиксирует, что на поверхности мембраны появляется электрический заряд. Теперь проделаем другой, неприятный для всего живого эксперимент: подольем митохондриям слабый раствор цианистого калия.
Их деятельность замирает, а стрелка вольтметра движется к нулю. Снова подкармливаем их витамином С, и они оживают. Сомнений нет, внутриклеточная миниатюрная электростанция действует! Простота и наглядность опыта советских исследователей поразила ученых всего мира. В. П. Скулачеву и В. А. Либерману была присуждена Государственная премия СССР. Итак, перед нами новое лицо клетки – электростанция размером в молекулу.
Это индивидуальное тело способно без всяких помощников за счет света создавать разность потенциалов, электродвижущую силу. Иначе говоря, клетка – это миниатюрная фото электрическая батарея, фотоэлемент! Так энергия света с помощью электричества превращается в энергию химических связей и запасается в растениях. Но что сулят сельскому хозяйству наши знания о фотосинтезе растений, что может ожидать земледелец от этой науки сегодня?
Изучение всей цепи реакций в живой клетке привело ученых к мысли, что фотосинтетические процессы протекают не непрерывно, как это предполагалось ранее, а прерывисто, мгновениями. Но в ходе этих мигов, продолжительность которых измеряется сотыми долями микросекунды, создается, накапливается пища, в которой мы нуждаемся и которую едим, чтобы жить.
И вот что еще важно: если свет используется квантами, прерывисто, то, наверное, нет нужды освещать им растение непрерывно? Поглотив порцию света, зеленый лист в какие-то мгновения перерабатывает ее и в этот момент в освещении не должен нуждаться.
В теплице в одно и то же время посеяли семена огурцов одного сорта. Росли и развивались они одинаково. И урожай собрали одинаковый. Но разница была вот в чем. Для выращивания подопытных огурцов было израсходовано электрической энергии в 10 раз меньше, чем контрольных, потому что освещали их прерывистым, мигающим светом. День – ночь – день – ночь – так десятки раз в секунду.
Но мигающий свет – это гораздо более дешевый свет, потому что в паузах светильникам электрическая энергия не нужна. А ведь половина стоимости тепличных овощей – это ведь стоимость электроэнергии! Поиск ученых, направленный на постижение тайн фотосинтеза, продолжается.

Отзывы и комментарии