«Похищенные лучи», или
фотосинтез растений (часть 1)
Во время зарождения жизни на Земле, несколько
миллиардов лет тому назад, свободного кислорода в атмосфере почти не
было. Кислородный багаж по крупицам копили древние водные растения.
Если бы они не выделяли свободный кислород, жизнь не вышла бы на сушу.
Парадокс? Нет. Создав миллиарды тонн кислорода, водоросли "построили"
тем самым гигантский озоновый экран, защитивший Землю от губительных
ультрафиолетовых лучей Солнца.
Долгим и нелегким было завоевание суши. Гибли растения, пытавшиеся жить
только в почве. Они получали воду и соли, двуокись углерода, но были
лишены солнечного света. Другие формы, жившие на поверхности, напротив,
в изобилии получая солнечный свет, а также двуокись углерода, страдали
от недостатка солей и воды.
Выжили растения благодаря развитию у них специализированных органов: корней, стеблей, цветков и листьев.
Корни служат не просто
передатчиками минеральных солей из почвы в надземные органы. В них
активно синтезируются многие важные органические соединения, которые
после нескольких превращений связывают главные факторы плодородия - азот, фосфор,
калий.
Стебли поддерживают листья в лучшем для солнечных лучей положении и
осуществляют связь между корнями и листьями, а также обеспечивают
передвижение вверх и вниз питательных веществ.
Цветки - органы
полового размножения. Их появление в немалой степени
способствовало покорению суши. Ведь в цветках половые клетки - гаметы -
могут сливаться и вне водной среды, и будущее растение, таким образом,
развивается уже защищенным от высыхания.
Специализированные органы питания - листья - осуществляют фотосинтез.
"Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, - писал
выдающийся русский физиолог растений К. А. Тимирязев, - заслуживает в
такой степени всеобщего внимания, как тот, далеко еще не разгаданный
процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч
солнца".
Фотосинтез - уникальный процесс, который дает нам жизнь. К. А.
Тимирязев образно называл растение посредником между небом и землей,
истинным Прометеем, похитившим огонь с неба. Ведь стоит зеленому листу
прекратить работу, как все живое на Земле погибнет.
В результате этого сложнейшего фотохимического процесса из простых
неорганических веществ, углекислого газа (СО2) и
воды под действием
солнечного света образуются органические вещества, прежде всего
углеводы. Фотосинтез протекает очень интенсивно - каждые 250 лет
растения "пропускают" через себя весь запас СО2,
имеющийся в земной
атмосфере. Фотосинтез и дыхание (обратный процесс с выделением СО2)
создают гигантскую буферную систему, которая поддерживает в земной
атмосфере постоянное содержание - 0,03 процента (по объему) СО2.
Если
перевести проценты на вес, получится около 600 миллионов тонн.
Подсчитано, что ежегодно во время фотосинтеза фиксируется 150
миллиардов тонн СО2 и образуется 58 миллиардов
тонн органического
вещества. Примерно половину его создают растения суши - поистине
гигантские химические комбинаты.
Основные сведения по биохимии фотосинтеза были получены в результате
опытов на одноклеточных водорослях и изолированных хлоропластах.
Химический состав хлоропластов сложен: белки - 30-45 процентов, РНК -
0,5-3, ДНК - 0,5, липиды - 20-40, хлорофилл - 9, каротиноиды - 4,5
процента на сухую массу. В хлоропластах сосредоточено почти все
количество минеральных элементов: железо, цинк, медь. Кроме того, в
хлоропластах имеются многочисленные ферменты, витамины.Доказано
существование системы, синтезирующей белок, хотя неизвестен принцип ее
работы.
Электронный микроскоп
и рентгено-структурный анализ позволили заглянуть
во внутренний мир хлоропластов. Это маленькие органеллы в цитоплазме
зеленых клеток. Каждый хлоропласт окружен двойной мембраной. Основное
жидкое и бесцветное вещество - строма - пронизано двуслойными
мембранами - тилакоидами, похожими на мешочки. Есть и длинные, и
короткие тилакоиды. Короткие собраны в граны (пачки) и напоминают
стопку монет. Длинные расположены параллельно друг другу.
Фотосинтезирующиеся пигменты - главный среди них - хлорофилл -
содержатся в основном в гранах. Химическое строение хлорофилла очень
сходно со строением пигмента крови - гемоглобина. Так, в 30-е годы
нашего века в лаборатории немецкого биохимика Р. Вильштеттера
анализировали различные растения и выделили в чистом виде хлорофилл.
Установили, что он у всех растений одинаков и существует в основном в
форме хлорофилла "а" C55H72О5N4Mg
и хлорофилла "б" C55H70О6N4Mg.
Помимо
хлорофилла, в мембранах гран имеются желтые и красные пигменты
(каротиноиды). Предполагают, что молекулы хлорофилла собраны в группы,
причем к каждой группе присоединена молекула каротиноида. Видимо, этим
объясняется быстрая передача энергии возбуждения от одной молекулы
пигмента к другой, что имеет важное значение, особенно при плохом
освещении.
Площадь листьев растения немалая, но общая площадь хлоропластов намного
больше. Например, у столетнего бука высотой 25 метров крона покрывает
150 квадратных метров поверхности почвы. Общая площадь листьев дерева -
1200, а хлоропластов - 18000 квадратных метров. Следовательно,
поверхность, воспринимающая свет, превышает площадь листьев в 15 раз!
В те же 30-е годы было доказано, что фотосинтез представляет собой
собственно фотохимическую, или световую, реакцию, и ассимиляцию
углерода - химическую, или темновую, реакцию.
Световая реакция начинается поглощением хлорофиллом квантов света с
образованием восстанавливающего агента ( НАДФН + Н+
) и молекулы АТФ.
Световая реакция включает в себя разложение воды (фотолиз). Кислород в
данном случае выделяется из воды, а не из углекислого газа, как считали
раньше. При этом образуется водород, точнее, фотоводород, который сразу
связывается переносчиком (НАДФН). Связанный водород затем используется
в темновой реакции в качестве восстановителя с богатой энергией. И,
наконец, в результате сложного процесса фотофосфолирования
накапливается энергия в виде молекул АТФ.
