Занимательный фотосинтез – Обзор игры Photosynthesis

В глубины истории

Лекари средневековья помимо медицинской практики должны были хорошо разбираться еще и в гомеопатии. Поскольку многие лекарства готовились из растений, то знания ботаники считались обязательным условием для подтверждения своей репутации. Самые любознательные врачеватели занимались выращиванием лекарственных средств самостоятельно, проводя над ними различные опыты. К таким «умным и прогрессивным» принадлежал и голландец Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579-1644).

Целью его научного эксперимента было узнать, каким образом растут растения. Если с животными вопросов не возникало, так как существовала прямая и наглядная связь между поглощением пищи и увеличением их в размерах, то каким образом из крохотного семечка вырастают огромные деревья, было непонятно.

Опыт состоял в следующем. Ван-Гельмонт подготовил ведро, засыпал в него землю, предварительно просушенную в печи, посадил туда ивовую лозу и щедро полил дождевой водой. В течение 5 лет он тщательно следил, как развивается его «детище», создавая ему комфортные условия для роста. По истечению намеченного времени ученый извлек молодое деревце, очистил его от земли и взвесил, а потом то же самое проделал с почвой из ведра. Оказалось, что масса ивы и земли изменились непропорционально. Лоза увеличилась в весе на несколько десятков килограммов, а почва всего на 100 г. На основании результатов эксперимента голландец объяснил разницу масс поглощением вод. Вывод оказался ошибочным, равно как и основанная на нем теория водного питания растений.

Примерно через столетие Джозеф Пристли (1733-1804) открыл кислород, аммиак, сернистый газ, а также сумел получить хлористый водород. Ученого-химика интересовал один вопрос: почему воздух на природе гораздо чище городского? По его предположениям растения играли роль некого природного абсорбента загрязнений, поступающих в воздух из труб промышленных заводов, а также продуктов жизнедеятельности человека. Чтобы проверить свои предположения, были проведены опытные исследования. Под два одинаковых стеклянных колпака посадили по мыши, только в одном ничего, кроме подопытного образца, не находилось, а в другой поместили веточку мяты. В результате первая мышь быстро умерла, а вторая чувствовала себя превосходно. Мало того, побег растения за время наблюдения даже подрос на три дюйма.

Эксперимент был с интересом принят в научном мире, но устойчивой стабильности при повторных пробах не показал. В одних случаях грызуны дышали хорошо, в других умирали даже при наличии в колбах растений. Истина так и осталась не подтвержденной, так как лаборатория Пристли попала под удар консервативно настроенных англичан, и все оборудование вместе с богатейшей библиотекой было варварски уничтожено. А вот среди народа идея очистки воздуха зеленью получила широкое распространение. Люди массово начали заниматься разведением цветов в домах, где находились больные. Причем свято верили, что нужно плотно закрывать входные двери, чтоб «вредный» наружный воздух не смешивался с внутренним лечебным.

Значительно продвинулся в изучении физических свойств растений еще один голландец, врач Ингенгауз (1730-1799). Именно он доказал, что улучшать воздух способны только зеленые части, да и то при условии, что они находятся на свету. Корни, цветы, почки и листья, оставленные в темноте, вышеизложенными свойствами обладать не могут.

Естествоиспытатель Жан Сенебье (1742-1809) первым озвучил тот факт, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ. Тогда же появился и термин «физиология растений», а вслед за ним был издан первый учебник по этой дисциплине. Работу Сенебье продолжил его соотечественник, швейцарец Никола Теодор Соссюр (1767-1845). Физик, химик и геолог в одном лице, он установил цепочку химических реакций по поглощению углерода из углекислого газа и последующего выделения кислорода. Также он доказал, что растения, как и животные с людьми, дышат, выделяя в воздух углекислый газ и потребляя кислород.

Сам же термин «фотосинтез» появился в 1877 г., его авторство принадлежит Вильгельму Пфефферу (1845-1920). Он структурировал все знания, полученные ранее от коллег ученых, и дал определение процессу преобразования солнечной энергии в энергию органических соединений.

Фотосинтез хвойных деревьев — это интересно

Кажется логичным, что зимой жизнедеятельность растений резко снижается: прекращается рост, обмен веществ затормаживается, скорость дыхания уменьшается в сотни раз. Но эта вся история о листопадных деревьях, а что происходит с вечнозеленой хвоей — елями, пихтами, соснами и т. д.? По этому поводу учеными были проведены исследования, открывшие множество удивительных фактов. Оказывается, хвойные растения и зимние злаки способны усваивать углекислый газ даже при минусовой температуре, до -1-5 °С.

Не вдаваясь в сложные научные изыскания, опытным путем была выведена некая закономерность. При понижении отметки термометра до -13 С у разных растений началось резкое понижение скорости фотосинтеза. В список самых устойчивых к температурным перепадам попала сосна и ель обыкновенная, линнея северная и несколько видов мхов. Причем ряд мхов не теряли способность к поглощению СО2 даже под снежным покровом, превышающим 20 см.

Интенсивность проникновения световых лучей сквозь такой толстый слой снега снижалась примерно в 15-20 раз, но по факту скорость процессов фотосинтеза у покрытых и непокрытых растений оказалась одинаковой. Это удивительное явления имеет свое объяснение. Озимые и лишайники, оказавшиеся под снегом, пребывали в более комфортных климатических условиях, что и позволило им компенсировать спад фотосинтеза. Опыты показали, что затяжная зима не является преградой для поглощения углекислого газа вечнозелеными растениями.

Предыстория открытия, или простой эксперимент

Опыт Ван Гельмонта

В течение тысячелетий люди считали, что растения питаются исключительно корнями, поглощая с их помощью все необходимые вещества из почвы. Проверить эту точку зрения взялся в начале XVI в. бельгийский естествоиспытатель Ян Ван Гельмонт. Он поместил в горшок 80 кг земли и посадил в него растение, предварительно взвесив его. Растущему в горшке растению в течение 5 лет не давали никакого питания, а только поливали дождевой водой, не содержащей минеральных солей. Ученый взвесил растение через 5 лет и обнаружил, что его вес увеличился до 66 кг, а вес земли в горшке уменьшился всего на 50 г.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Какими могут быть функции КА в фотосинтезе?

Рисунок 9. Пигментбелковые комплексы ФС1 и ФС2 в тилакоидной мембране. Стрелками показан транспорт электронов от одной системе к другой и продукты реакций.

Известно, что ионы бикарбоната необходимы для нормального транспорта электронов на участке электронтранспортной цепи хлоропластов QA →Fe2+ → QB, где QA — это первичный, а QB — вторичный хиноновые акцепторы, причем QB расположен на акцепторной стороне фотосистемы 2 (ФС2) (рис. 9) . Ряд фактов указывает на участие этих ионов в реакции окисления воды и на донорной стороне ФС2 . Наличие в пигментбелковом комплексе ФС2 карбоангидраз, регулирующих поступление бикарбоната к нужному участку, могло бы обеспечивать эффективное протекание этих реакций. Уже высказывалось предположение об участии КА в защите ФС2 от фотоингибирования в условиях интенсивного освещения  путем связывания избыточных протонов с образованием незаряженной молекулы СО₂, хорошо растворимой в липидной фазе мембраны. Показано присутствие КА в мультиферментном комплексе, осуществляющем фиксацию СО₂ и связь рибулезобисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы с мембраной тилакоидов . Высказана гипотеза, согласно которой ассоциированная с мембраной КА дегидратирует бикарбонат, продуцируя СО₂ . Недавно показано, что внутритилакоидные протоны, аккумулируемые на свету, используются при дегидратации бикарбоната, добавленного в суспензию изолированных тилакоидов, и сделано предположение, что эта реакция может осуществляться на стромальной поверхности мембраны, если КА обеспечивает канал утечки протонов из люмена .

Удивительно то, что от одного кирпичика системы зависит настолько многое. И, раскрыв его местоположение и функцию, можно управлять всей системой.

Глобальный энергетический кризис, или Зачем нужен искусственный фотосинтез

Сегодня и без того большое население планеты увеличивается на 1% ежегодно . Растущие с каждым годом энергетические потребности человечество удовлетворяет прежде всего за счет ископаемых ресурсов. Но уже ни для кого не секрет, что запасы нефти и угля ограничены и в большинстве случаев невозобновимы . Когда их объемы перестанут соответствовать глобальным темпам развития (или даже израсходуются), мир столкнется с энергетическим кризисом небывалых масштабов.

Уже сейчас можно наблюдать ожесточенную борьбу, развязавшуюся на мировой арене за крупные источники ископаемого топлива. В перспективе горючего будет всё меньше, а конфликты интересов будут происходить всё чаще.

Последние два века человечество было ослеплено доступностью ископаемых энергоносителей и разработало множество основанных на них технологий, без которых жизнь сегодня просто немыслима. Сначала были уголь и паровозы, затем люди научились получать электричество, сжигая тот же уголь, производить газовые плиты, частный и общественный транспорт — всё это требует расхода запасенных миллионы лет назад органических веществ. Используя энергию этих веществ, человечество совершило скачок во многих областях общественной жизни: численность мирового населения превысила 7 млрд , в пустынях возникли цветущие города и государства, производственные мощности и уровень потребления увеличиваются год от года. Без сомнения, современный мир немыслим без угля, нефтепродуктов и газа.

Здесь проявляется дилемма современной энергетики: с одной стороны, абсолютно очевидна необходимость перехода на возобновляемые источники энергии, с другой — мир не приспособлен для потребления такой энергии. Однако в последнее десятилетие всё активнее ведутся разработки источника энергии, который мог бы решить эту дилемму. Речь идет об искусственном фотосинтезе (ИФ) — способе превращать энергию солнца в удобную форму органического горючего.

Нельзя забывать, что сжигание топлива приводит к массивным выбросам СО₂ в атмосферу, негативно влияющим на состояние всей биосферы. В крупных городах это влияние особенно заметно: тысячи дымящих машин и предприятий образуют смог, и каждый горожанин, выбравшись за город, прежде всего восхищается свежим воздухом. Создание источника энергии, который подобно растениям поглощал бы СО₂ и вырабатывал О₂, могло бы остановить идущую на всех парáх деградацию окружающей среды.

Таким образом, ИФ — потенциальное решение как мирового энергетического, так и экологического кризисов. Но как же работает ИФ и чем он отличается от природного?

Фотосинтез и урожай — какая связь?

Используя в обычной жизни бумагу, строительные материалы и разные бытовые предметы мало кто задумывается, что все эти привычные вещи — результат фотосинтеза культурных растений. Органические вещества, образуемые в ходе сложного химического процесса, служат основой для производства продуктов питания, лекарств и других средств для удовлетворения потребностей человека.

Растения, выращиваемые культурны способом, способны быстро развиваться и, соответственно, улавливать огромное количество солнечной энергии. В процессе фотосинтеза выделяется бесчисленное множество разнообразной органики, поэтому зная механизмы управления ним, можно значительно повысить продуктивность урожая.

Интересно, что главным сдерживающим фактором фотосинтеза является дефицит углекислого газа. В естественных условиях процент его содержания в воздухе составляет 0,03%. Однако над активно фотосинтезирующим полем, например, сахарной свеклы этот показатель будет почти в 2-3 раза меньше. Чтобы получить средний урожай над полем должен переработаться огромный объем воздуха. Для наглядности, посевы той же свеклы в сутки «съедают» почти 300-400 кг углекислого газа.

Повысить интенсивность фотосинтеза можно путем искусственного наращения концентрации углекислого газа до отметки 1,5%. Эту оптимальную величину определил опытным путем известный российский физиолог Владимир Любименко. Вся проблема заключается в том, что даже при наличии должного уровня технологий пойти на такой шаг человечество не решится. Изменения содержания СО2 в воздухе повлечет за собой нарушение теплого баланса всей планеты — тот самый пресловутый парниковый эффект, о котором часто говорят экологи.

Перегрев земли может повлиять на поднятие уровня Мирового океана за счет таяния арктических ледников, что в свою очередь приведет к сокращению суши, занятой под сельскохозяйственные нужды. Другой путь получить независимость от низкой концентрации СО2 в разрезе урожайности — это выведение так называемых С4-растений, обладающих повышенными свойствами к фотосинтезу. При оптимальных условиях ухода (полив, удобрение, освещение) коэффициент полезного использования света возможно повысить в несколько раз.

Более рационально использовать солнечную энергию можно, подойдя к вопросу выращивания растений с позиции оптимального их расположения относительно друг друга. При слишком большом расстоянии между посевами весомая часть света пропадает впустую, а при излишнем загустении стебли саженцев теряют силу, становятся ломкими и длинными, плохо противостоят ветру и дождю. В обоих случаях продуктивность урожая будет низкой

Также необходимо обращать внимание на систему полива и удобрения, так как существует прямая зависимость между интенсивностью фотосинтеза и условиями водоснабжения

Ученые доказали еще один интересный факт. Оказывается, растения с компактной низкорослой кроной способны гораздо активнее фотосинтезировать, чем их высокорослые «собратья» с раскидистой формой листьев. На сегодняшний день селекционерами уже выведен ряд культурных сортов, отвечающих современным требованиям. К их числу относится карликовая пшеница (Мексика), низкорослый рис (Филиппины), хлопчатник Дуплекс (Таджикистан).

Фотосинтез и солнечная энергетика

Из вышеизложенного напрашиваются следующие выводы. В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Масштабное производство ячеек для искусственного фотосинтеза, которые могли бы послужить конкурентоспособным источником возобновляемой энергии – в лучшем случае дело будущего. Но искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода, и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).

Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями — например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США. Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который, в свою очередь, является экологически чистым топливом.

Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы. Наконец, подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.

Рубиско или как ускорить фотосинтез

За катализ биохимических процессов в клетке отвечают разнообразные ферменты. Некоторые жизненно важные реакции без участия ферментов попросту не идут. Одним из древнейших, важнейших и при этом наиболее громоздких ферментов является рибулозобисфосфаткарбоксилаза, сокращенно — рубиско.

Вот такая монструозная молекула направляет реакцию фотосинтеза – делая это исправно, но очень медленно. Кстати, сам рубиско использует в качестве катализатора тот самый атом магния, что входит в состав молекулы хлорофилла, показанной выше. Каждая молекула рубиско успевает обработать 1-3 молекулы углекислого газа в секунду, что, конечно же, очень медленно. Более того, рубиско потребляет на собственную работу и часть кислорода, образующегося в результате фотосинтеза, что приводит к фотодыханию.

В целом рубиско пока почти не поддается генной инженерии. Дело в том, что хлоропласты когда-то сами были простейшими, а около 3,5 миллиардов лет назад были захвачены клетками цианобактерий, где превратились сначала в симбионтов, затем в паразитов, а еще позже в обычные органеллы. Но у хлоропластов есть остаток собственного генома, и работа рубиско кодируется как генами растения, так и генами хлоропластов. Растения повышают эффективность фотосинтеза, попросту до отказа набивая свои хлоропласты рубиско. Только в прошлом году китайским ученым удалось навязать растениям более эффективный подход. В одноклеточную водоросль хлореллу внедрили специальный полимер, который активизирует в хлоропластах захват фотонов. Когда рубиско получает больше фотонов, как эффективность, так и скорость его работы улучшается примерно в полтора раза, но и это весьма скромный успех. Вполне возможно, что эти опыты попросту предвосхищают биологическую эволюцию: есть данные, что из-за повышения содержания CO₂ в атмосфере фотосинтез у растений начинает идти быстрее.

На этой иллюстрации, взятой с сайта «Naked Science», показано, как с повышением температуры меняется темп фиксации углерода (слева) и выделения углекислого газа (справа).

Очевидный недостаток фотосинтеза заключается в том, что хлоропласты извлекают энергию лишь из сравнительно узкой (зеленой) части спектра.

Упоминавшийся выше диоксид титана также поглощает фотоны именно в «зеленой» части спектра. Но фотосинтезирующие свойства фотоэлектрического элемента можно улучшить, задействовав в нем другие материалы, в частности, кремний, улавливающий свет в области спектра примерно до 1100 нм. Для максимально полного использования спектра ведутся эксперименты по включению в фотоэлектрические элементы других металлосодержащих соединений: оксида цинка ZnO, оксида железа Fe₂O₃, висмут-ванадиевого соединения с кислородом BiVO₄, нитрида тантала Ta₃N₅ и некоторых других.

Механизм фотосинтеза

Солнечный свет — источник жизни

Фотосинтез — это процесс сложных химических реакций, в результате которых под воздействием солнечной энергии в растении простые неорганические вещества превращаются в органические. Хлоропласты, находящиеся в растительных клетках, содержат хлорофилл. Листья и тонкие стебли растений потому и зеленые, что в них много этого вещества. Хлорофилл листьев поглощает энергию солнечных лучей. Через маленькие отверстия — устьица — в листья проникает углекислый газ. Корни поглощают из почвы воду, и по стеблю она доходит до листьев. Энергия солнца превращает воду и углекислый газ в сахар и кислород. Этот процесс и называется фотосинтезом.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Ждать осталось недолго…

Технологии ИФ находятся пока на стадии прототипов, но их разработчики видят большой простор для оптимизации. Оптимизировать можно полупроводники-светоуловители, микроорганизмы, пространственную организацию бактерий, прочие катализаторы. Но прежде всего необходимо решить проблему стабильности. КПД изготовленных установок заметно падает уже спустя несколько дней работы. Полностью готовый прибор для ИФ, подобно любой живой системе, должен регенерировать и самовоспроизводиться. В этой связи особенно интересны М. thermoacetica, к которым эти свойства относятся в полной мере.

И хотя существующие образцы далеки от совершенства, работы в области ИФ ценны прежде всего тем, что показывают принципиальную возможность встроить солнечную энергетику в мир, захваченный двигателем внутреннего сгорания. Ветряки и солнечные батареи, безусловно, обладают высоким КПД и уже практически полностью обеспечивают энергопотребление в Уругвае и Дании, а ГЭС — важные узлы в энергосети многих стран , . Но замена горючего электричеством в большинстве случаев требует кардинальной перестройки энергосетей и не всегда возможна.

Дальнейшее развитие ИФ требует массивных инвестиций. Можно представить, что фирмы — производители солнечных батарей, которым футурологи прочат мировое господство в области энергетики уже к 2030 , будут заинтересованы в развитии этой пока молодой и неопытной науки на стыке биоэнергетики, материаловедения и наноинженерии. Кто знает, может ИФ и не станет повседневностью будущего, а может, работа над ним даст толчок водородной энергетике или биофотовольтаике , . Ждать осталось недолго, поживем — увидим.

Откуда кислород?

Учеными подсчитано, что количество кислорода в атмосфере и гидросфере Земли составляет примерно 1000000 млрд. тонн. Его производителями принято считать анаэробные организмы, существовавшие миллионы лет назад. И только на основе накопленного кислорода на планете стали развиваться аэробные организмы, получившие способность добывать синтезировать энергию из органического «сырья» в ходе окислительных процессов.

Доказано, что большая часть кислорода, генерируемого современной растительностью в процессе фотосинтеза, идет на обслуживание жизнедеятельности самих растений, а также человека и животных. То есть накопления практически не происходит. Есть взять суммарную массу кислорода, продуцируемого лесами, допустим, за год, то окажется, что его удельный вес в объеме общих запасов Земли ничтожно мал. В пропорциональном отношении это выглядит как 1/22000. Кажется удивительным, но текущий вклад наземных экосистем в мировую кислородную «копилку» практически незаметен. Компенсация О («oxygen»), теряемого в процессе горения, происходит за счет фитопланктона.

Также интересно, что концентрация кислорода в атмосфере по сравнению с прошлым веком (наблюдения ведутся с 1910 г.) существенно не изменилась. А вот темпы его использования рекордно возросли, если не сказать больше. Только за последние 50 лет человечество «переработало» кислорода столько, сколько за предыдущие миллион лет. В процентном измерении это исчисляется, как 0,02% от общего мирового атмосферного запаса.

Угрозы для кислородного голодания на ближайшие несколько столетий не наблюдается, однако первостепенной задачей становится сохранить стабильность газового состава атмосферы, направив силы на активное использование ветряной, водной, солнечной и прочих незадействованных в полной мере видов энергии.

Вернувшись к истокам происхождения фотосинтезирующих организмов и их участия в накоплении кислорода, можно прийти к ряду познавательных выводов. Например, если взять все нетронутые запасы торфа, угля, нефти и прочих горючих ископаемых, сделать перерасчет по формуле фотосинтеза, то можно определить количество кислорода, выработанного в результате жизнедеятельности растений, попавших в итоге в категорию полезных ископаемых.

Но вот здесь ученые и упираются в главный вопрос — как могли деревья и растения каменноугольного периода синтезировать кислород, если их существование в атмосфере, лишенной его, невозможно? Как они дышали и жили в принципе? Разгадка кроется в древних геологических слоях земной коры. Именно там были обнаружены следы синезеленых водорослей, которые и стали первичными накопителями кислорода. Поскольку способностью дышать они обладать не могли, то вероятнее всего механизм распада органических веществ в их клетках был приближен к процессу брожения.

Что же касается современной растительности, то вклад ее в общую копилку кислородного запаса достаточно условен. Здесь работает правило равновесия: сколько кислорода выделяется в результате фотосинтеза, примерно столько же и потребляется.

Самый активный фермент: волонтер фотосинтеза

Рисунок 5. Строение растительной клетки (а) и хлоропласта (б)

Карбоангидраза — чрезвычайно важный биокатализатор, относящийся к числу самых активных ферментов. КА катализирует обратимую реакцию гидратации СО₂ в клетке:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н+ + НСО₃−.

Карбоангидразная реакция проходит в две стадии. В первой стадии образуется ион бикарбоната НСО₃−. Во второй стадии освобождается протон, и именно эта стадия лимитирует процесс .

Гипотетически КА клеток растений может выполнять различные физиологические функции в соответствии с местом расположения. При фотосинтезе кроме быстрого перевода НСО₃− в СО₂, который необходим для РБФК/О, она может ускорять транспорт неорганического углерода через мембраны, поддерживать рН-статус в разных частях клеток, смягчать изменения кислотности в стрессовых ситуациях, регулировать транспорт электронов и протонов хлоропласте .

Карбоангидраза присутствует практически во всех исследованных видах растений. Несмотря на многочисленные экспериментальные факты в пользу участия карбоангидразы в фотосинтезе, окончательный механизм участия фермента в этом процессе ещё предстоит выяснить .

Заключение

Углекислый газ для животных является неиспользуемым продуктом метаболических реакций, так сказать — «выхлопом», выделяющимся при «сжигании» органических соединений. Удивительно — растения и другие фотосинтезирующие организмы используют этот самый углекислый газ для биосинтеза практически всего органического вещества на Земле. Жизнь на нашей планете строится на основании углеродного скелета, и именно углекислый газ является тем «кирпичиком», из которого строится этот скелет. И именно судьба углекислого газа — включается ли он в состав органики или выделяется при ее разложении — лежит в основе круговорота веществ на планете (рис. 10).

Рисунок 10. Круговорот углерода в природе

Заключение

Изложенные возможности являются во многом гипотетическими, но вполне реализуемыми, так как основаны на модели, отточенной в зеленых растениях более чем за миллиард лет. Мне они представляются значительно более интересными, чем луддистские по сути и практически невыполнимые призывы «снизить количество парниковых выбросов», «отказаться от авиаперелетов» или «застроить прибрежные области ветрофермами». Избыток углекислого газа должен превратиться из проблемы в ресурс, а переход на водородную энергетику стать максимально безболезненным. Возможно, ключ ко всем этим решениям – в освоении и доработке искусственного фотосинтеза.