Этот вопрос, поставленный весьма общим образом, можно разбить на несколько более узких. И первые два из них — каким образом свет «питает» растение и как вызывает химические реакции?
Фотохимические реакции
Начать проще со второго вопроса. При химической реакции исходная молекула превращается в другую, в некотором смысле более стабильную (если говорить точнее, в ту, у которой ниже химический потенциал). Конечно, хотя молекулы различаются по своей устойчивости, любая из них, даже молекула очень высокореакционного соединения, в какой-то мере стабильна, иначе бы она вообще не существовала — атомы или, по крайней мере, какие-то группы атомов разлетелись бы, не образовав молекулы. Но почему-то часть таких молекул «выскакивает» из своего устойчивого состояния и «сваливается» в другое устойчивое состояние. Так брызги воды вылетают из стакана, перелетают через край и падают на пол. Причины, подбрасывающие некоторые капли воды до высоты края стакана, бывают разные: стакан может подрагивать, стоя на столике в поезде; брызги вызывает и струя воды или даже отдельные капли, упавшие в стакан с большой высоты. Точно так же и молекула способна подняться из своей «энергетической ямы», соответствующей её устойчивому состоянию, и потом «перевалить через край». Необходимый для этого избыток энергии она может получить от других молекул. Чем выше температура, тем больше энергия всех молекул, и нужный избыток проще получить — поэтому при повышении температуры химические реакции идут быстрее. Другой вариант: молекула поглощает свет и тем самым также приобретает избыточную энергию. Такие химические реакции называются фотохимическими.
Свет — замечательный источник энергии для химических реакций. Один квант видимого света содержит энергию, огромную по сравнению с той характерной энергией, которую имеют молекулы «сами по себе», за счёт теплового движения — примерно в 70—130 раз бoльшую. Вот только проблема: не всякая молекула не всякий свет может поглотить. Чтобы поглощение было возможно, разница энергий между двумя состояниями молекулы должна быть равна энергии кванта света. Для молекул как микроскопических частиц возможны не любые состояния, а только соответствующие определённым, дискретным уровням энергии, то есть молекулу нельзя чуть-чуть возбудить, есть некоторая минимальная величина, на которую молекула может изменить свою энергию. А у многих молекул разница в энергии электронных уровней заметно больше той энергии, которую несёт квант видимого света. Его энергии просто не хватает, чтобы «забросить» молекулу хотя бы на ближайший верхний уровень, в возбуждённое состояние. И лишь у некоторых веществ первый возбуждённый электронный уровень энергии лежит не слишком высоко — настолько, что энергии кванта видимого света хватает, чтобы молекула оказалась на этом уровне. Такие вещества могут поглощать свет, и называют их пигментами.
Хлорофилл
У растений множество самых разных пигментов, и какой только свет они не поглощают! Вспомним разнообразную окраску цветков и плодов растений и даже листьев в осеннюю пору. Однако основной пигмент растений — хлорофилл. Он способен поглощать как синий, так и красный свет — в итоге и в отражённом, и в прошедшем через лист свете остаётся в основном зелёный. В отличие от всех остальных пигментов в растении для него созданы особые условия: хлорофилл сидит в специальном белке — так называемом фотосинтетическом реакционном центре, а рядом с ним в этом же белке размещены другие молекулы, с которыми он должен быстро вступить в фотохимическую реакцию, как только поглотит свет.
Такие особые условия для хлорофилла — неспроста. Дело в том, что, для того чтобы вступить в фотохимическую реакцию, молекуле мало быть пигментом: поглотив свет и перейдя в возбуждённое состояние, она должна продержаться в нём достаточно долго, чтобы успеть прореагировать с чем-то ещё. У многих молекул пигментов время жизни возбуждённого состояния слишком короткое. А вот у хлорофилла оно уже достаточное, чтобы успеть осуществить химическую реакцию. Конечно, по нашим меркам, это тоже мгновения — наносекунды, однако если все условия для протекания реакции подготовлены, то это вполне возможно.
Задача фотосинтеза
Чтобы объяснить, как именно растение использует энергию света, поглощённого хлорофиллом, можно было бы подробно описать последовательность всех реакций, которые происходят в хлоропласте (той клеточной органелле, в которой сосредоточен весь фотосинтетический аппарат растения). Однако это было бы примерно то же, что описывать в деталях внутреннее устройство какого-нибудь сложного прибора. Трудно сразу воспринять обилие деталей, каждая из которых в своё время оказалась гениальной находкой изобретателя, и понять принцип работы устройства. Проще подойти к этому вопросу с конца: а что, собственно, требуется от фотосинтетического аппарата?
Как хорошо известно, фотосинтез заключается в том, что растение поглощает из воздуха углекислый газ (CO2) и превращает его в органические вещества. С этим сопряжён ещё один процесс — расщепление молекулы воды, при котором два атома кислорода (из двух молекул воды) образуют молекулярный кислород, уходящий из растения в атмосферу. Отщепляемые от молекулы воды ионы водорода остаются в водной среде клетки. А что нужно для того, чтобы превратить CO2 в органику?
Посмотрим на вопрос с другой стороны: а что происходит при превращении органических веществ в CO2? С одной из разновидностей этого процесса все сталкивались — это горение. Органические вещества, например целлюлоза (основной компонент древесины, полимер глюкозы), реагируют с кислородом, происходит окислительно-восстановительная реакция. Кислород, чрезвычайно электроотрицательный элемент, то есть способный притягивать к себе валентные электроны почти любых других элементов, отбирает их у молекул целлюлозы. Разумеется, атомы, у которых кислород утащил электроны, тоже должны куда-то деться, и при полном сгорании они устремляются вслед за своими электронами, в итоге образуя соединения с кислородом (оксиды), в которых основная электронная плотность смещена к кислороду, хотя и у его партнёра тоже кое-что остаётся. Партнёры эти — углерод и водород, продукты горения — их оксиды, углекислый газ и вода (если мы говорим о полном сгорании; при неполном сгорании могут образовываться и разнообразные другие, частично окисленные соединения). То же самое — не по детальному механизму, но по конечному результату — происходит и в живых организмах при дыхании: глюкоза окисляется кислородом до воды и CO2.
Восстановление углекислого газа
Итак, фотосинтез — это процесс, идущий в противоположном направлении: от CO2 к органике. Сначала — к трёхуглеродному соединению фосфоглицериновому альдегиду, потом — к глюкозе, а затем и к другим органическим соединениям, хотя эти последние участки пути, строго говоря, уже не относят к фотосинтезу. Значит, нужно восстановить углерод, входящий в состав CO2, и водород воды, то есть оторвать от них кислород и вернуть им электроны. В принципе — это одна и та же задача, но в биохимии, где все процессы, кроме самых простых, требуют много стадий и где один и тот же элемент, находящийся в разном химическом окружении (например, кислород в составе воды или CO2, или альдегида — в форме карбонильной группы, или в той же глюкозе — в гидроксильной группе), требует разных подходов. Поэтому в биохимической «кухне» живой клетки используются два разных класса инструментов: источники энергии и источники «восстановительной силы» — такие вещества, где электрон обладает относительно высокой химической энергией, то есть, иными словами, слабо связан с молекулой, и поэтому она его может легко отдать какой-нибудь другой органической молекуле и тем самым восстановить её.
Эти роли могут исполнять разные вещества, но наиболее универсальные их исполнители в живой клетке (по крайней мере, в фотосинтезе) — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). И тогда задачу, стоящую перед фотосинтезом, можно разбить на две более мелкие: использовать энергию света, чтобы создать АТФ и восстановленную форму НАДФ (её ещё обозначают НАДФ‧H, потому что она содержит дополнительный атом водорода, H), и затем уже с их помощью получить органические вещества из CO2. Поскольку второй этап не требует участия света, его так и называют — темновая фаза фотосинтеза, в отличие от первого этапа — световой фазы.
Генерация энергии и восстановительной силы
Если приглядеться, задача образования высокоэнергетических электронов в световой фазе фотосинтеза уже фактически решена. Ведь в возбуждённом состоянии молекулы пигмента электрон имеет высокую энергию: квант света «вытащил» его из той энергетической ямы, в которой он находился, и перебросил на более высокий энергетический уровень — как лифт с первого этажа на один из верхних. Теперь остаётся только перенести этот электрон на молекулу НАДФ, между двумя высоко расположенными «этажами» этих молекул. Конечно, это только общая идея, а реализуется она довольно сложно: перенос происходит через множество посредников, через целую цепочку молекул, часть которых расположены рядом друг с другом в белке, а некоторые плавают в окружающей белок среде — в воде или липидной мембране. Более того, как любой мячик легко катится под горку, так и электрон легко перескакивает с одной молекулы на другую в направлении понижения его потенциальной энергии. То есть движение электрона подобно скатыванию мячика по лестнице, где каждая следующая ступенька — это очередная промежуточная молекула в цепи между хлорофиллом и НАДФ. Разумеется, при этом часть энергии теряется. Поэтому у растений электрону требуются два «лифта» — два кванта света, которые он получает в двух разных фотосинтетических реакционных центрах, оказывающихся на его пути (так называемые фотосистема II и фотосистема I). Энергии двух квантов хватает, чтобы забросить электрон достаточно высоко даже с учётом всех потерь энергии при его переносе.
Но по пути, скатываясь вниз, электрон совершает ещё одно важное дело: в некоторых местах он прихватывает с собой протон (точнее, конечно, и электрон, и протон прихватывает молекула-переносчик) и перетаскивает его из одного отдела (как говорят, компартмента) клеточной органеллы в другой. Эти компартменты отделены друг от друга липидной мембраной. Электрически картинка очень похожа на конденсатор: мембрана — диэлектрик, а по обе стороны от неё, как обкладки конденсатора, — электропроводящие водные растворы солей. Если перенести с одной «обкладки» на другую протон (заряженную частицу), то конденсатор зарядится и станет носителем электрической энергии. Как эта энергия затем используется для синтеза АТФ — отдельный разговор, но в целом ситуация подобна работе водяной мельницы — электрогенератора: вода, стекая сверху вниз (то есть снижая свою энергию в гравитационном поле Земли), по пути вращает ротор электрогенератора, и образуется электрическая энергия. В нашем случае электрон «скатывается» вниз в направлении снижения своей химической энергии, по пути запасая электрическую энергию на мембране.
Опасность избытка света
Мы описали, как должна работать «водяная мельница» фотосинтеза. А теперь посмотрим, какие могут быть сбои в её работе и что при этом произойдёт.
Представим, например, что в клетке не осталось углекислого газа. Такое легко может произойти у наземных растений при дефиците влаги: чтобы не терять драгоценную влагу, их листья закроют устьица, через которые происходит газообмен листа с атмосферой. Потеря воды листом прекратится, но прекратится и поступление в него углекислого газа. То, что было растворено в воде внутри листа, со временем израсходуется, и фотосинтез прекратится. Накопленные молекулы АТФ и НАДФ‧H перестанут расходоваться, электронам, бегущим по цепи, некуда будет стекать, и все процессы остановятся. Все, кроме поглощения света хлорофиллом! И возникающие на свету возбуждённые молекулы хлорофилла так и будут оставаться возбуждёнными в несколько раз дольше. Конечно, всё равно не очень долго — лишнюю наносекунду или даже меньше. Но уже этого увеличения времени жизни очень реакционноспособного возбуждённого состояния достаточно, чтобы в итоге превратить содержащийся в среде кислород в активную форму и запустить каскад неконтролируемых окислительных реакций. И столь необходимый растению созидательный процесс фотосинтеза сменится разрушительным «пожаром» внутри клетки. И причины, которые способны привести к этому, могут быть совершенно разными: не только дефицит воды, но и понижение температуры, и засоление почвы, и действие множества других неблагоприятных факторов внешней среды — всё это способно замедлить фотосинтез. А может и просто возрасти интенсивность света, и тогда цепь переноса электронов перестанет справляться с их потоком даже при нормальном, не замедленном фотосинтезе. Что же можно сделать в таких случаях, чтобы предохранить клетку от «пожара»?
Способы защиты от окислительного «пожара»
Один из путей — уменьшить поглощение света. Растение использует эту возможность всеми способами: создаёт на поверхности листьев опушение или слой экранирующих пигментов (опушение позволяет отразить, а пигменты — поглотить значительную часть света); разворачивает листья вдоль потока света; перераспределяет в клетке хлоропласты, пряча их в тень друг друга; сокращает количество хлорофилла. Однако все эти способы, хотя и весьма эффективные, относительно медленные. А вот для быстрого реагирования растение использует вторую принципиальную возможность — сокращает время жизни возбуждённого состояния хлорофилла. В начале статьи мы уже говорили о том, что у хлорофилла это время длинное по сравнению со многими другими пигментами, что и позволяет ему работать в фотосинтезе. Получается, растение «портит» свой главный фотосинтетический пигмент, делает его менее пригодным для фотосинтеза? Да, именно так. Но ведь и парусные корабли спускают паруса, свой главный «двигатель», при штормовом ветре. Лучше потерять в эффективности фотосинтеза, чем подвергнуть клетку опасности окислительного «пожара».
Как же можно дезактивировать хлорофилл? Мы упоминали, что молекулы хлорофилла, используемые в фотосинтезе, не плавают в клетке беспорядочно, а «сидят» в белках. Белковое окружение для молекулы — это своего рода умный дом, то есть настраиваемое окружение с богатыми возможностями. В состав белков входят и неполярные гидрофобные, и полярные, и заряженные (причём как положительно, так и отрицательно) аминокислотные остатки. Их распределение в белке создаёт внутри него совершенно разные по своим физическим свойствам области. Более того, белок может в каких-то пределах менять свою конфигурацию под воздействием внешних факторов, и распределение областей белка с разными свойствами также будет изменяться. Свойства молекул пигментов — их спектры, расстояния и энергии взаимодействия между ними — могут изменяться в зависимости от окружения. Для решения проблемы избыточного освещения один из магистральных путей — это усиление взаимодействия хлорофиллов с другими пигментами — каротиноидами.
Самый известный каротиноид — это, вероятно, бета-каротин, придающий цвет морковке, от неё и получивший название (Daucus carota — латинское название моркови обыкновенной). Два других, менее известных каротиноида есть и у человека — лютеин и зеаксантин, содержащиеся, в первую очередь, в жёлтом пятне сетчатки глаза. Эти же каротиноиды, взаимодействуя с хлорофиллом в хлорофилл-содержащих белках растений, дезактивируют его возбуждённое состояние. Дело в том, что данные пигменты могут обмениваться энергией с хлорофиллом, но сами живут в возбуждённом состоянии очень недолго. Если молекула такого каротиноида оказывается достаточно близко к молекуле хлорофилла и ориентирована по отношению к ней подходящим образом, то она может «перехватить» энергию возбуждённого состояния у хлорофилла, после чего моментально от неё избавится.
Энергия света, превратившаяся на доли наносекунды в энергию возбуждённого состояния пигментов, превратится в тепло — самую безопасную форму энергии для растения. Такой механизм защиты от избытка света получил название «нефотохимическое тушение». И хотя слово «тушение» в данном случае происходит из оптической терминологии, связанной с экспериментальными методами исследования этого явления, создаваемый им образ очень точно описывает роль этого явления в тушении окислительного «пожара» внутри растительной клетки.
Рисунки автора.
