Почему трава зеленая — рассмотрим фотосинтез поближе

«ПОЧЕМУ трава зеленая?» В детстве вы, наверное, задавали этот вопрос. Остались ли вы довольны ответом? Вопросы детей подчас весьма непростые, и этот — не исключение. Порой они заставляют как следует приглядеться к обыденному, давно привычному, и обнаруживаются в этом обыденном сокрытые чудеса, о которых мы и не подозревали.

Чтобы понять, почему трава зеленая, представьте себе то, что, казалось бы, никакого отношения к траве не имеет. Попробуйте вообразить совершенную фабрику. Работает тихо, а на вид — просто загляденье, верно? Действие совершенной фабрики не только не загрязняет окружающую среду, а напротив, благоприятно на ней сказывается. Само собой разумеется, такое предприятие выпускает полезную для всех и каждого, крайне необходимую продукцию. Такая фабрика должна работать на солнечной энергии, согласны? То есть ни линии электропередачи, ни поставок угля или жидкого топлива совершенной фабрике не требуется.

На ней вы, конечно, найдете солнечные панели, которые намного лучше последних разработок человека. Это панели с высокой отдачей, недорогие и безвредные как в изготовлении, так и в использовании. Более передовой технологии, чем та, что применяется на совершенной фабрике, и представить нельзя, однако напоказ это не выставляется; не бывает внезапных аварий, поломок, не требуется бесконечной наладки, без чего, видимо, не обойтись нынешним техническим новинкам. Труд на совершенной фабрике по идее полностью автоматизирован, человеку управлять станками не нужно. Да, она сама себя ремонтирует, сама проводит техобслуживание и, помимо всего прочего, воспроизводит себе подобных.

Неужели совершенная фабрика — из области научной фантастики? Просто несбыточная мечта? Ничего подобного: совершенная фабрика столь же реальна, как трава под ногами. Вернее, это и есть трава под ногами, а равно и папоротник в вашем офисе и дерево за вашим окном. То есть совершенная фабрика — это любое зеленое растение! Солнечный свет служит для зеленых растений «топливом», они используют углекислый газ, воду и минералы, чтобы производить пищу — прямо или косвенно — чуть ли не для всех форм жизни на земле. По ходу производства они пополняют атмосферу чистым кислородом и забирают углекислый газ.

Все зеленые растения земли производят, как подсчитано, от 150 до 400 миллиардов тонн сахара в год — куда больше, чем объем выпуска всех, вместе взятых, человеческих предприятий по производству черных металлов, стали, автомобилей и авиационно-космической техники. Чтобы производить сахар, растения используют энергию Солнца: за счет нее растения отнимают атомы водорода от молекул воды и затем присоединяют эти атомы к молекулам углекислого газа, взятого из воздуха, превращая углекислый газ в углевод, известный как сахар. Этот удивительный процесс называется фотосинтезом. Затем растения могут использовать образовавшиеся молекулы сахара в качестве «топлива» или могут составить из них крахмал, как «запас продовольствия», или целлюлозу — твердый, волокнистый материал, образующий растительное волокно. Только подумайте! Огромная секвойя, до верхушки которой — 90 метров, появилась в основном из воздуха: она росла, а на миллионах микроскопических «сборочных конвейерах», называемых хлоропластами, одна за другой «обрабатывались» молекулы углекислого газа и воды. Но как?

Заглянем в «механизм»

То, что секвойя появилась из воздуха (а также из воды и нескольких минералов), конечно же, удивительно, но волшебство тут ни при чем. Этот проект и технология, которые куда сложнее человеческих, разработаны разумом. Мало-помалу ученые приподнимают завесу над фотосинтезом и дивятся происходящим в нем сверхсложным биохимическим процессам. Одним глазком посмотрим и мы вместе с ними на «механизм», отвечающий почти за всю жизнь на земле. Быть может, с этого нужно начать, чтобы получить ответ на наш вопрос: «Почему трава зеленая?»

Достанем наш надежный микроскоп и исследуем обыкновенный лист растения. Невооруженному глазу лист, в общем, кажется зеленым, но это иллюзия. В микроскоп видно, что отдельные клетки растения не такие уж и зеленые. А в основном прозрачные, но в каждой из них содержится 50—100 крохотных зеленых пятнышек. Это хлоропласты, в которых находится светочувствительный хлорофилл и в которых протекает фотосинтез. Что же происходит в хлоропластах?

Хлоропласт похож на крохотную сумочку, а внутри — плоские сумочки еще меньшего размера, называемые тилакоидами. Вот мы и нашли источник зелени в траве. Зеленые молекулы хлорофилла «встроены» в поверхность тилакоидов, причем не как попало, а с точностью расположены по группам, которые называются фотосистемами. У большинства зеленых растений два вида фотосистем, известных как ФС I (фотосистема I) и ФС II (фотосистема II). Они работают подобно бригадам по выпуску специализированной продукции: каждая отвечает за отдельный ряд ступеней фотосинтеза.

«Отходы» идут в дело

На поверхность тилакоида попадает солнечный свет, а группы молекул хлорофилла в ФС II, называемые светособирающими комплексами, уже его «поджидают». Эти молекулы особенно интересует красный свет определенной длины волны. Группы же ФС I, расположенные в разных местах тилакоида, «ловят» свет с несколько большей длиной волны. Тем временем молекулы хлорофилла, а также некоторые другие молекулы, как например, каротиноиды, поглощают синий и фиолетовый свет.

Итак, почему же трава зеленая? На растения попадает свет с самой разной длиной волны, и только зеленый им не нужен, так что он просто отражается и достигает наших глаз и фотоаппаратов. Подумать только! Травы нежно зеленеют весной, а летом отливают изумрудом — благодаря световым волнам, которые не по вкусу растениям, но так приятны людям! В отличие от загрязнителей и отходов обычных фабрик, этот «бесполезный» свет, безусловно, «идет в дело», когда мы любуемся красивой лужайкой или лесом и душа радуется приятному цвету жизни.

В хлоропласте, а именно в группе ФС II, энергия красной полосы спектра солнечного света передается электронам молекул хлорофилла, пока в итоге какой-либо электрон не заряжается, или «возбуждается», настолько, что выскакивает из группы ФС II и «подхватывается» молекулой-переносчиком, дожидавшимся его в мембране тилакоида. Электрон переходит от переносчика к переносчику, словно танцор — от партнера к партнеру, и постепенно теряет энергию. И когда электрон достаточно разрядился, он свободно может использоваться для замены электрона в другой фотосистеме, ФС I. (Смотрите рисунок 1.)

В группе ФС II теперь недостает электрона, из-за чего она становится положительно заряженной и требует электрон взамен утраченного. Область в ФС II, известная как комплекс выделения кислорода, «выходит из себя», словно человек, обнаруживший, что его обокрали. Откуда взять электрон? Ага! Неподалеку беззаботно «прогуливается» злополучная молекула воды. Теперь ее ждут крупные неприятности.

Расщепление молекул воды

Молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода и двух атомов водорода, меньших размеров. В ФС II комплекс выделения кислорода содержит четыре иона марганца, которые отнимают электроны от атомов водорода в молекуле воды. В результате молекула воды разбивается на два положительных иона водорода (протона), один атом кислорода и два электрона. Все больше молекул воды расчленяются, и атомы кислорода разбиваются по парам, образуя молекулы кислородного газа, который растение возвращает в воздух — для нас. Ионы водорода начинают скапливаться в сумочке тилакоида, откуда растение сможет их использовать, а благодаря электронам восполняется потеря в комплексе ФС II, который теперь готов повторить цикл множество раз в секунду. (Смотрите рисунок 2.)

В тилакоидном мешочке рой ионов водорода начинает искать выход. Два иона водорода, которые образуются всякий раз при распаде молекулы воды, это еще не всё: «по пути» из комплекса ФС II в комплекс ФС I электроны «заманивают» в мешочек и другие ионы водорода. Вскоре эти ионы уже теснятся в тилакоиде, точно разозленные пчелы в переполненном улье. Как им оттуда выбраться?

Оказывается, выдающийся Создатель фотосинтеза устроил «турникет» только с одним выходом — особый фермент, используемый при выработке важнейшего клеточного «топлива», называемого АТФ (аденозинтрифосфат). Пробиваясь через «турникет», ионы водорода отдают энергию, необходимую для перезарядки использованных молекул АТФ. (Смотрите рисунок 3.) Молекулы АТФ — это крохотные клеточные «батареи». Маленькими порциями они поставляют энергию для различных внутриклеточных реакций. Позже эти молекулы АТФ понадобятся, на «сахаросборочном конвейере» фотосинтеза.

При «сборке» сахара кроме АТФ необходима еще одна небольшая молекула. Она называется НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат, в простейшем виде). Молекулы НАДФ — крошечные «грузовики», каждый доставляет по атому водорода к ожидающему ферменту, которому этот атом необходим при «строительстве» молекулы сахара. Созданием НАДФ занимается комплекс ФС I. Пока одна фотосистема (ФС II) расщепляет молекулы воды и создает из них АТФ, другая фотосистема (ФС I) поглощает свет и выбрасывает электроны, которые позже пригодятся при создании НАДФ. Молекулы как АТФ, так и НАДФ хранятся в пространстве вне тилакоида и потом будут использованы на «сахаросборочном конвейере».

Ночная смена

Каждый год в процессе фотосинтеза образуются миллиарды тонн сахара, однако же в ходе реакций, для которых нужен свет, никакого сахара не производится. Производятся только АТФ («батареи») и НАДФ («грузовики»). Ферменты в строме (пространстве вне тилакоида) используют АТФ и НАДФ для производства сахара. На самом деле растение может производить сахар в полной темноте! Хлоропласт сравним с фабрикой, на которой две бригады (ФС I и ФС II) внутри тилакоида делают батареи и грузовики (АТФ и НАДФ), и все это понадобится третьей бригаде (особых ферментов) стромы. (Смотрите рисунок 4.) Эта бригада производит сахар, присоединяя атомы водорода и молекулы углекислого газа в строгой последовательности химических реакций, используя ферменты в строме. Все три бригады могут работать днем, а «сахарная» работает еще и ночью, по крайней мере, пока не израсходует АТФ и НАДФ, оставшиеся после дневной смены.

Строму можно уподобить клеточной службе знакомств, забитой атомами и молекулами, которые нужно «переженить» и которые сами никогда не сойдутся. Некоторые ферменты похожи на удивительно назойливых сватовa. Это белковые молекулы особой формы, что позволяет им захватывать именно те атомы или молекулы, которые необходимы для определенной реакции. Однако этим «сватам» мало лишь познакомить будущих молекул-«супругов». Ферменты не успокоятся, пока не состоится «бракосочетание», а потому они «хватают» «жениха и невесту», которые вовсе не желают «сочетаться», и устраивают биохимический «брак поневоле», сводя их непосредственно друг с другом. После церемонии фермент отпускает новообразованную молекулу и повторяет процесс снова и снова. В строме ферменты с невероятной скоростью передают по цепочке частично собранные молекулы сахара, перестраивают их, заряжают с помощью АТФ, прибавляют углекислоту, присоединяют водород, после чего отправляют трехуглеродный сахар в другую часть клетки, где его переработают в глюкозу и еще множество разных веществ. (Смотрите рисунок 5.)

Почему трава зеленая?

Фотосинтез это далеко не простая химическая реакция. Это биохимическая «симфония» поразительной сложности и утонченности. В книге «Жизненные процессы растений» это выражено так: «Фотосинтез — это удивительный, в высшей степени упорядоченный процесс покорения энергии солнечных фотонов. Благодаря сложному строению растения и невероятно тонким биохимическим и генетическим механизмам, управляющим фотосинтетической деятельностью, происходит виртуозный процесс захвата фотонов и преобразования их энергии в химическую» («Life Processes of Plants»).

Другими словами, когда выясняешь, почему трава зеленая, то дивишься проектом и технологией, стократ превосходящими все, что придумал человек: тут и саморегуляция и самотехобслуживание, микроскопические «станки», которые совершают тысячи или даже миллионы производственных циклов в секунду (и при этом не шумят, не загрязняют воздух и не портят вид), превращая солнечный свет в сахар. Фотосинтез дает нам некоторое представление о разуме непревзойденного конструктора и инженера — нашего Создателя, Иеговы Бога. Подумайте об этом, когда вам снова встретится дивная, жизненно важная «совершенная фабрика» Иеговы или когда снова пойдете по мягкой зеленой травке.

[Сноска]

[Сведения об иллюстрации, страница 18]

Вставка: Colorpix, Godo-Foto

[Иллюстрация, страница 19]

Как, благодаря фотосинтезу, росло это дерево?

[Диаграмма, страница 20]

Рисунок 1

[Диаграмма, страница 20]

Рисунок 2

[Диаграмма, страница 21]

Рисунок 3

[Диаграмма, страница 21]

Рисунок 4

[Диаграмма, страница 22]

Рисунок 5