Журнал "Человек без границ". Скачать бесплатно

Каталог статей


Поиск по сайту

Поделиться статьей:



Скачать журнал Человек без границ бесплатно:

Скачать журнал Человек без границ бесплатно


Найди своего героя

Студия целостного человека

НОВЫЙ АКРОПОЛЬ




Рассылки
Subscribe.Ru
Самое интересное в культуре и науке








Rambler‘s Top100

Яндекс.Метрика

Статьи

послать ссылку другу  Послать ссылку другу
small text
large text


НаукаЕстествознание

Фотосинтез

Наталья Аднорал

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.

Согласно симбиотической гипотезе, хлоропласты растительной клетки произошли от первых одноклеточных организмов, освоивших процесс самообеспечения за счет солнечной энергии. Эти живые «электростанции» пришлись по вкусу их более крупным собратьям, не способным к столь уникальному использованию света. Кончилось все тем, что предки хлоропластов были «пленены» и вынуждены поставлять энергию хозяину, а со временем стали неотъемлемой его частью, уже не способной к самостоятельному существованию.

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.

«Почему кровь красная, а трава зеленая... это тайны, в которые никто не может проникнуть» (Уолтер Релей). Удивительно, что структуры зеленого хлорофилла, «переносящего» солнечный свет, и гемоглобина – красного пигмента крови животных и человека, переносящего кислород, очень похожи. В их основе лежат пятичленные, так называемые порфириновые циклы, содержащие азот. Четырьмя такими циклами «зажат» ион металла: ион магния в хлорофилле и железа в гемоглобине. Они-то и обусловливают цвет пигмента – зеленого в первом случае и красного во втором. Как известно, цвет, который воспринимает глаз человека, есть отраженный свет. Зеленым мы видим хлорофилл потому, что он отражает зеленые лучи, а поглощает главным образом красные и синие.

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.

Можно смело утверждать, что растения подготовили почву, создали условия, в которых смогли возникнуть эволюционно более «продвинутые» формы жизни – животные и человек. И по сей день зеленые труженики – практически единственные производители «энергетических консервов» и кислорода. Но всегда ли растения были такими альтруистами? Неужели даже первые фотосинтезирующие организмы работали «на отдачу»? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить, как все начиналось. Обратимся за помощью к современным концепциям эволюции.
...Давным-давно никаких животных не было и в помине. Зато было очень много голодных бактерий – первых живых обитателей Земли, которые охотно поглощали органические вещества как из окружающего «первичного бульона», так и в виде своих менее удачливых собратьев. Но проходили миллионы лет, и запасы пищи, образовавшиеся в основном на заре существования Земли (до появления первых живых клеток), катастрофически уменьшались. И перед бактериями встал извечный вопрос – «быть или не быть», где «быть» означало научиться самим производить питательные вещества. Фотосинтез – не единственное, но наиболее эволюционно значимое решение этой проблемы. Первые фотосинтезирующие бактерии появились примерно 2,3 млрд. лет назад. И с тех пор в атмосферу Земли начал поступать побочный продукт фотосинтеза – кислород. Его появление привело к серьезному эволюционному кризису. Ибо кислород – сильнейший окислитель – разрушал необходимые компоненты живых существ. И вновь бактериям пришлось срочно разрабатывать стратегию выживания. На сей раз (конечно, все это случилось не вдруг) бактерии «придумали» дыхание (около 2 млрд. лет назад), за счет чего и расквитались сразу «с обоими зайцами». Дыхание – и поныне наиболее распространенный и очень эффективный способ получения энергии из пищи при ее окислении. Таким образом, бактерии одномоментно нейтрализовывали токсичный кислород и вырабатывали энергию. Однако только этим роль кислорода (а следовательно, и фотосинтеза) как движущего фактора эволюции не исчерпывается. Ибо из кислорода под действием ультрафиолетовых лучей образовался озоновый слой, который все живое на планете от них же и защитил и сделал возможным выход живых организмов на сушу.

Оригинал статьи находится на сайте журнала "Новый Акрополь": www.newacropolis.ru


Обсудить статью в сообществе читателей журнала "Человек без границ"

Подписаться на журнал "Человек без границ"








Журнал "Человек без границ". При цитировании материалов ссылка обязательна. Mailto: admin@manwb.ru





Настольный офисный компьютер.

На главнуюЖурналПодпискаО чем он?ИнформацияНаграды журналаНовый АкропольНаши книгиИздательство