загрузка...

Фотосинтез и флуоресценция

  • 16.06.2010 / Просмотров: 9741
    //Тэги: ботаника   Гордон  

    Каким образом свет, поглощаемый растением, трансформируется и перераспределяется в нем? Может ли испускаемая растением слабая флуоресценция служить индикатором "самочувствия" растений? О работе первичных стадий фотосинтеза - член-корреспондент РАН биофизик Андрей Рубин.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Александр Гордон. …зелёные насаждения, леса –
мы дышим тем кислородом, который они вырабатыва-
ют, но два уважаемых химика сделали одно замечание.
Они сказали, что если рассматривать период вегета-
ции растения, то это похоже на правду. Но ведь расте-
ние не только живёт, оно ещё и умирает – умирают его
листья, умирают плоды. И после гибели они связыва-
ют достаточно большое количество кислорода, потому
что гниют. И таким образом, говорят они, баланс вы-
деляемого кислорода растениями и поглощаемого ки-
слорода сводит к нулю их деятельность в период веге-
тации. Как вы прокомментируете эту точку зрения?
Андрей Рубин. Для того чтобы точно на это отве-
тить, надо действительно подвести чёткий баланс. Я
думаю, что, может быть, если говорить о судьбе одно-
го растения, которое живёт и выделяет, потом гниёт и
потребляет, здесь действительно, пожалуй, могут быть
сравнимые вещи. Но в целом, в глобальном масштабе
на Земле, конечно, весь кислород, которым мы дышим
сейчас, в геологическое время нашего существования,
он весь происходит из растений. Это, я думаю, не под-
лежит сомнению. Другое дело и принципиальное до-
стижение, в том числе и наше отечественное, что весь
кислород, который получается в ходе фотосинтеза, он
из воды. Вот это сейчас не оспаривается. Но, по-види-
мому, есть другие источники. Однако здесь речь пой-
дёт о механизмах фотосинтеза.
Александр Гордон. Раз мы говорим с вами о таком феномене как
фотосинтез – он для меня до сих пор непостижимым.
Каким образом произошло так, что свет стал источни-
ком питания и жизни всего существующего сегодня на
Земле? Ведь были же и другие эпохи.
Андрей Рубин. Вопрос очень серьёзный и принципиальный. Я
бы даже, может быть, в качестве введения что ли, ска-
зал несколько слов.
При всем эволюционном различии положений раз-
ных организмов, начиная от амёбы до человека, ме-
жду ними существует колоссальная разница. Биохими-
ческие основы, кирпичики живого – аминокислоты, ну-
клеотиды, всё то, что нам даёт биохимия, в общем,
одинаковы. Вот это принципиальная была трудность в
понимании эволюционного развития. Почему усложня-
ется организация без усложнения отдельных состав-
ных кирпичиков? Ответ на этот вопрос был дан и был
дан экспериментально, как ни странно. Когда было
показано, что можно взять неорганические соедине-
ния – воду, CO-2, аммиак, поместить их, скажем, в
кварцевую пробирку, облучить ультрафиолетом, про-
вести электрический разряд, пропустить ещё что-ни-
будь, дать энергию и в настоящее время нет вообще
никаких препятствий к получению любых кирпичиков
живого. Даже сложные сахара получаются, нуклеоти-
ды отдельные. Это, возвращаясь к вашему вопросу, о
том, что на заре эволюции, в основном, не исключи-
тельно, но в основном за счёт энергии света, ультра-
фиолета, был осуществлён, как мы говорим, абиоген-
ный синтез вот этих кирпичиков живого.
Возникшая жизнь питалась всеми этими готовыми
веществами. Она была деторатрофна, и всё было хо-
рошо и прекрасно до тех пор, пока всё не съели, грубо
говоря. Дальше что делать? Либо умирать, либо тра-
тить новые источники энергии. И тогда возник фотосин-
тез. И я, когда будут картинки, покажу, какие особенно-
сти механизма фотосинтеза были связаны с этим. Но
если говорить о роли света, то свет второй раз пришёл
на помощь. То есть, за счёт энергии света, я буду об
этом говорить, возбуждения электронного, получает-
ся фотосинтез. И продукты фотосинтеза – это сахара,
углеводы, различные другие вещества, то, чем, соб-
ственно, мы питаемся и едим.
Первый рисунок показывает схематично, как фото-
синтез идёт в листе. На самом деле, процесс состоит
из отдельных этапов. Вдумайтесь в это. Каждый этап
отличается по характерным временам на много поряд-
ков. Растение за счёт фотосинтеза живёт и развивает-
ся дни, годы, в зависимости от того, какое растение.
АП начальный этап – аминоэнергия света – происхо-
дит за время, вдумайтесь, порядка десять в минус две-
надцатой, сейчас даже говорят в десять в минус пят-
надцатой секунды. Физиков не удивишь такими корот-
кими временами, удивительно то, что это происходит
в биологической системе и уже на этом коротком про-
межутке времени возникают биологически осмыслен-
ные процессы. То есть, это не просто некая физика, ко-
торая скрыта от всякой биологии. Я постараюсь пока-
зать, насколько это всё завязано в целом.
Итак, десять в минус двенадцатой секунды, и по-
лучаются продукты фотосинтеза: фиксация СО-2, вос-
становление СО-2, появление сахаров, углеводов, ну
и дальше, так сказать, пошло и поехало. Идёт рост ра-
стения. Так вот секрет фотосинтеза, как процесса запа-
сания энергии света (в этом отличного от других биохи-
мических процессов) заключается на этих самых ран-
них этапах. И я постараюсь показать, как это получает-
ся, почему это важно не только для фотосинтеза, но и
вообще для современного понимания того, что проис-
ходит в биологических белковых машинах. И потом по-
стараюсь показать, как это можно применить на прак-
тике, буквально с сегодняшнего дня, даже в городском
хозяйстве, например.
Александр Гордон. Фотосинтетические батареи?
Андрей Рубин. Это один из этапов. Диагностика с помощью фо-
тосинтеза состояния атмосферы, воды. Я буквально
два слова сказал бы вот о чём. Биология – наука 21-
го века. Мы сейчас будем жить в постгеномную эру.
Мы расшифровали геном человека. Мы, я так пони-
маю, это наука в целом. Американцы в основном, как
вы знаете. Что дальше? Дальше получается так, что
теперь жизнь клетки – это жизнь отдельных белковых
машин. И здесь произошло принципиальное понима-
ние того, что мы не можем двигаться дальше, не пони-
мая принципов работы этих машин. А для того чтобы
понять принципы работы машин, машин в кавычки по-
ка можно взять, это значит, что мы должны не только
понимать результат начальный и конечный. Мы долж-
ны понимать, что происходит внутри.
Вот тривиальный пример: можно выбрать машину,
допустим, по прочности, по скорости, по расходу бен-
зина. Этого вам достаточно, чтобы сделать выбор, но
вы ещё не можете понять, что происходит внутри. По-
чему одна лучше другой? Вы не поймёте это, если вы
не понимаете, что там происходит внутри. Вот мы сей-
час на этом этапе. Протеномика – наука о функцио-
нальности, функционировании белков, как составной
части клетки, всё это связано с проникновением внутрь
машины. И работы по фотосинтезу реакционных цен-
тров ведутся уже давно. Слава Богу, уже много десят-
ков лет насчитывает история фотосинтеза. Поэтому,
как мне кажется, работа фотосинтеза выходит за рам-
ки чисто фотосинтетических интересов. Здесь можно
влезть внутрь.
Давайте следующий рисунок покажем. Вот, что про-
исходит. Поглощается квант света, есть реакционные
центры, энергия возбуждения. Дальше используется
при фотосинтезе синтез органических веществ. Так вот
форма использования энергии света – это организа-
ция электронного потока. Это значит, что вроде как за-
пускают за счёт энергии света поток электронов. И это
происходит очень быстро. Возвращаясь к вашему во-
просу, который вы задали вначале – как свет пришёл
на помощь второй раз. Оказалось что хлорофилл, аро-
матические соединения были уже давно синтезирова-
ны, ими пользовались. Но дальше необходимо было
обеспечить поглощение света, возбуждение электрон-
ное и использование энергии света в фотосинтезе. Так
вот, если вы возьмёте хлорофилл, выделите в рас-
твор, дадите ему электронное возбуждение, он погло-
тит квант света, и через пять на десять в минус девятой
секунды энергия будет либо излучена в виде флуорес-
ценции, либо дисипирует тепло. Так или иначе, за пять
в десять минус девятой секунды энергия будет потеря-
на полностью. Если вы хлорофилл поместите в лист и
захотите использовать эту энергию с большой эффек-
тивностью, то это нужно делать намного скорее, чем в
естественное время, за которое пройдёт естественная
потеря энергии. Вот почему начальный этап фотосин-
теза – разделение зарядов, отрыв электрона, который
потом добежит до СО2 – это девять в минус двенадца-
той, минус тринадцатой секунды.
Александр Гордон. То есть, надо успеть.
Андрей Рубин. Надо успеть, потому что иначе всё у вас, так ска-
зать, оторвут. А дальше необходимо что сделать? По-
бежал электрон быстро, но дальше ведь его должны
подхватить ферментные системы, которые, слава Бо-
гу, в эволюции уже существовали. Они работают на-
много медленнее. Времена у них десять в минус вто-
рой, в минус третьей секунды. И эти десять порядков
надо замедлить. Вот почему электронный поток осу-
ществляется через много промежуточных стадий.
На следующем рисунке показан этот электронный
поток. Вот поглотился квант света – для энергии, для
эмиграции энергии. Я не буду о подробностях здесь го-
ворить. Идёт через ряд переносчиков, пластохинон ми-
грирует с одной стороны мембраны на другую. Здесь
ситохромный комплекс. Затем ещё одна фотосистема.
И выброс электрона, который уходит на надфасфат и
восстанавливает его. По дороге образуется трансмем-
бранный потенциал. Водород переносится с одной сто-
роны мембраны на другую, получается разность потен-
циалов, такая электрическая батарейка заряжается. И
она используется на синтез АТФ, который, как мы все
хорошо знаем, это энергетическая валюта и использу-
ется во всех процессах жизнедеятельности.
Так вот в кинетическом смысле это замедление
электрона до времён респектабельных, почтённых, до
миллисекунды, чтобы можно было нормально исполь-
зовать этот электрон. И секрет фотосинтеза вот здесь
находится. И в основном это есть белковая маши-
на. Машина по переработке энергии электронного воз-
буждения. Из светособирающей матрицы доставлена
энергия и далее идёт переработка её в энергию раз-
делённых зарядов. Здесь две проблемы – отрыв элек-
трона и как этот электрон переносится на большие рас-
стояния. Ведь толщина мембраны, примерно, 50-100
эмгстрем. И он переносится за очень короткие време-
на. Вот на следующем рисунке мы сейчас заглянем
внутрь этого электронного центра.
Вот, посмотрите, белок. Семь альфа-спиральных
столбов. Внутри эти переносчики, черненьким обозна-
чены. А вот как бежит электрон от одного переносчика
к другому, идёт перенос электрона. Достаточно боль-
шие этапы. А бежит он очень быстро. Вопрос – как это
происходит, за счёт чего он происходит быстро. Обыч-
но в химии растворов как решается вопрос? Ударения
молекул, преодоление барьера, перенос электронов,
и очистительные, восстановительные реакции. Здесь
все переносчики погружены в белок. Они не бегают, ни-
какой энергии активации в обычном смысле слова нет.
Поэтому начальные этапы происходят быстро, и нужно
понять механизм за счёт чего это происходит.
И это был принципиальный этап в понимании меха-
низма. Оказалось, что эти процессы очень быстрые.
Причём, происходит не просто какая-то диссипация
энергии, а идут направленные какие-то изменения, ми-
кроконформационные. И дальше было показано, что
идёт так называемый туннельный перенос электро-
на при низких температурах. Экспериментально оказа-
лось, что этот перенос электрона идёт здесь при тем-
пературах минус сто градусов Цельсия. При темпера-
турах жидкого азота, даже жидкого гелия. Что прин-
ципиально? Что идёт он, в общем, с эффективностя-
ми принципиально сравнимыми с таковыми, которые
наблюдаются при комнатных температурах. И, при-
чём, ещё раз говорю, это не какая-то экзотика, которая
идёт только при азотных температурах. Этот барьер-
ный туннельный перенос происходит при всех темпе-
ратурах. При комнатных температурах в организован-
ных системах он идёт даже с большей эффективно-
стью, чем надбарьерный перенос в конденсированных
системах.
Александр Гордон. Это же квантовый эффект?
Андрей Рубин. Да. Совершенно верно. Это туннельный эффект
физики, физика очень хорошо знает туннельный эф-
фект. И здесь он происходит. Причём, идея в чём. Вот
происходит туннелирование электронов из начально-
го состояния в другое, а дальше он же может назад
вернуться. А эффективность фотосинтеза начальных
этапов – сто процентов. Практически сто процентов,
для того, чтобы он не вернулся. За время пребыва-
ния в конечном состоянии часть энергии теряется. И
за время десять в минус двенадцатой секунды он по-
этому не успевает вернуться назад. И бежит дальше,
ему легче в этом смысле идти дальше, чем вернуться
назад. Но принципиальным является следующее. Ко-
гда приходит электрон, он не только фиксируется. Это
же большая глобула, я вам показывал большой белок.
Она вся претерпевает изменения вслед за приходом
электрона. Вот здесь показано это схематически. Вот
донор, вот аксептер. Вот у них конформация. Вот про-
изошло туннелирование электрона. И после этого кон-
формация начинает меняться. У донора она опять воз-
вращается в исходное положение, чтобы принять отку-
да-то электрон. А у аксептера, взявшего электрон, она
опять меняется, чтобы передать его дальше. Это экс-
периментально можно проверить. Можно поймать. Но
я пока скажу, как можно себе представить аналогию.
Вот, представьте себе, в цирке два акробата прыгают
с одной трапеции на другую. Трапеция – это белок ин-
формационного изменения, спонтанный. А акробаты,
значит, электронные. И когда эти трапеции в резуль-
тате, в данном случае, свободной воли его помощни-
ка, приближаются на короткое расстояние, так, чтобы
барьер для туннирования был небольшой, происходит
туннирование. Акробат прыгает, хватается. Он хвата-
ется, фиксируя себя, теряя часть энергии в трении. Это
потеря части энергии электрона по колебательной.
А у акробатов – трение. Проверка жестокая, намажь-
те лапти подсолнечным маслом, вы увидите, что по-
лучится. Но после того как он себя зафиксировал, что
дальше? Характер движения трапеции меняется. Он
начинает себя раскачивать. А здесь что получается?
Здесь его свободная воля, так сказать, он хочет. Ему
ещё тут помогают. А в туннелировании ему так устрое-
на конформация, что новое равновесное состояние по-
лучается в осмысленной конфигурации, что достигает-
ся для облегчения дальнейшего переноса электрона.
И экспериментально это можно поймать. Вот, следую-
щий рисунок показывает, как это можно сделать. Вы
запускаете систему и можете её замораживать. Мож-
но сделать так. Вначале заморозить в темноте, а по-
том запустить электрон и посмотреть, как он будет там
в ней гулять туда-сюда. А можно сделать по-другому.
Можно начать освещать систему, она будет оживлена
уже, и по дороге её замораживать. И тогда вы в зависи-
мости от скорости замораживания, понижения темпе-
ратуры, от интенсивности света, то есть от числа уда-
ров, можете поймать разные состояния. И получите,
что при одной и той же конечной температуре она у вас
будет в разном состоянии и в разной конформации. И
это экспериментально наблюдается действительно.
Кинетически можно показать, какая будет разная ки-
нетика. Вот здесь экспериментальные данные. Я не хо-
чу подробно аргументировать всё это дело. Тут разная
кинетика будет, но были сделаны опыты, которые пока-
зали, что действительно, структура взаимного распо-
ложения переносчиков… Опять не вдаюсь в подробно-
сти, если будет интересно, могу сказать. Мне кажется,
важен смысл. На следующем рисунке я могу показать
это схематически. Человечки имитируют перенос элек-
трона. Вы их заморозили в темноте в таком положе-
нии, и они кидают электроны туда-сюда с такого поло-
жения. А теперь вы начинаете освещать и одновремен-
но замораживать. И в зависимости от скорости осве-
щения они взяли электрон и бегут с ним, а вы их ло-
вите в разных местах. И вот тут-то они начинают уже
играть по-другому, поскольку они попали в разные ме-
ста, застыли в разных местах на пути своего естествен-
ного движения. Как биофизики у нас говорят, это прин-
цип электронно-конформационных взаимодействий. И
он не является чем-то специфическим для фотосинте-
за. Вот на следующем рисунке, гемоглобин. Известно,
он переносит кислород в крови. Как он работает?
У него есть четыре большие субъединицы и один
атом железа, скажем, который получается так. Вы
присоединяете кислород к атому железа. Атом желе-
за вдвигается в ароматическую периферийную плос-
кость. Но что получается дальше? Это даёт начало
каскаду конформационных изменений, в результате
которых каждая последующая субъединица аксигини-
руется с энергией активации, меньшей чем предыду-
щая. Корпоративное такое изменение. Что это такое, в
чём принцип, почему это движущая сила?
Когда вы присоединили кислород, железо даже не
поменяло эквивалентность. Но это новое электронное
состояние, которое требует новой конформации. И это
просто сила физического принципа поиска минимума
энергии, система спонтанна, никто её не толкает. Она
спонтанно ищет новый минимум энергии и находит его
на пути последовательной аксигинации субъединиц.
Вот, кстати, один из принципов машинного поведения.
Это использование физического принципа. Здесь нет
новых физических принципов. Система их использу-
ет. Иногда видоизменяет до полной неузнаваемости.
То есть, они остаются. Нарушения законов физики нет,
это понятно. Но они используются. Секрет состоит не
в принципах, а в том, как они используются.
Кто их придумал – понятно. Либо Бог, либо приро-
да, что в данном случае одно и то же. И наша зада-
ча – понять, что там внутри происходит. Но гемогло-
бин – это классический пример такого машинного по-
ведения, который давным-давно известен. И то, что я
рассказал, является одним из хороших примеров, ко-
торый иллюстрирует принцип электронно-конформа-
ционных взаимодействий, как основы функционирова-
ния макромолекулы. И сейчас дальнейшая задача –
расшифровать всё это дело. Я могу упомянуть мно-
гие другие, казалось бы, далёкие от фотосинтеза, мо-
лекулярные машины. Например, бактерию радопсина,
это фермент зрительный. Атефаза. Это всё вещи, ка-
залось бы, разные. Каналы, которые в мембранах про-
пускают йоны. Это всё одни и те же идеи. Идеи, кото-
рые связаны с тем, что идёт изменение электронного
состояния. Толчок, меняется равновесие конформаци-
онное. Оно дальше начинает изменяться спонтанно, в
поисках своего минимума. Это физический принцип. А
это всё имеет осмысленный характер, но на молеку-
лярном уровне. Я бы даже не стал кавычки перед сло-
вом «осмысленный» здесь ставить.
Александр Гордон. Скорее, это целесообразность.
Андрей Рубин. Целесообразность. Но, понимаете, мы не при-
выкли говорить об осмысленности, о целесообразно-
сти на уровне одной молекулы. Но вот на уровне ма-
кромолекулы, видимо, можно так говорить.
Александр Гордон. Но физики – особенно в квантовой механике –
говорят ведь о «свободе воли электрона».
Андрей Рубин. Я думаю, там немножко другое имеется в ви-
ду. Я не физик-теоретик, поэтому осторожно буду гово-
рить. С одной стороны, осторожно, с другой стороны –
об области, о которой слышал, но мало знаешь, мож-
но свободно говорить. Так часто бывает. Но я тут осто-
рожно бы о свободе воли говорил. Во всяком случае,
это похоже на экскурс в область того, как взглядом лю-
ди отклоняют электрон. Ну, есть много в жизни чудес,
но друг Гораций… И что там на самом деле – Бог его
знает. Но в данном случае, принцип такой вполне кон-
кретно иллюстрируется.
Сейчас речь идёт о том, чтобы с помощью мето-
дов ядерного, магнитного резонанса, других методов
расшифровать эти механизмы. В случае гемоглоби-
на это всё очень хорошо биохимики уже сделали. Но
в других молекулярных машинах расшифровать кон-
кретные движения, понять механизм движения ещё не
удалось. В фотосинтезе движение различается, как я
уже говорил, в пределах одной макромолекулы. От де-
сять минус в двенадцатой, до десять во второй секунд.
Это колоссальный, принципиальный вызов молекуляр-
ной физике. Она, конечно, решит этот вопрос, вместе
с биологами это будет сделано.
Но в оставшееся время я хотел бы вам, если можно,
рассказать о том, как это можно применить в практи-
ке. Что это даёт, вообще говоря, просто конкретно. Я
несколько слов скажу. Это сложная, в общем, система
– фотосинитическая. Достаточно сложная. Она не та-
кая уж сложная, как все клетки, но достаточно сложная
для процессов моделирования. И возникает вопрос, а
можно ли понять, как эти начальные процессы вообще
регулируются – как-то со стороны всей клетки или нет?
И по каким показателям можно об этом судить. Здесь
сразу речь идёт о сложных системах.
Сейчас мы, пользуясь мощью современных компью-
теров, стоим на пути того, что можно смоделировать
поведение всей клетки. Но в данном случае, я буду
говорить о поведении фотосинитической системы. И
здесь встаёт целый ряд принципиальных вопросов ре-
гуляции сложной системы. Мы знаем принцип узкого
места. Правильный принцип, но я бы сказал, упрощён-
ный. В сложной системе много узких мест.
В фотосинтезе есть какой-то показатель, по которо-
му можно судить о системе в целом. Показатель такой.
Вот рисунок.
Флуоресценция – это та часть энергии, которая не
используется в фотосинтезе. И мы можем, изучая ха-
рактер флуоресценции (как она меняется при начале
работы фотосинтеза) судить о том, сколько энергии
запасается в фотосинтезе. Чем больше мы получаем
флуоресценции, тем меньше идёт на фотосинтез. Вы-
ход флуоресценции, будем так говорить, порядка од-
ного процента. То есть, по одному проценту нам пред-
лагается судить о том, что делалось с остальными 99-
ю. Это примерно то же самое, как если бы из любопыт-
ства мы хотели бы узнать, скажем, какой бюджет у со-
седей, а они вас не пускают домой, чтобы вы увидели,
что они там едят. Но вы можете лазить в их мусорное
ведро и смотреть, сколько бутылок они выкинули или
ещё чего-нибудь. А потом пересчитать все те основные
продукты, которые они при этом потребляют.
Вот в таком положении мы в отношении природы.
Она со своего стола кидает нам флуоресценцию и го-
ворит: «Догадайтесь, чего я там делаю в основном
за столом». Так вот, начиная с фотосинтеза, внача-
ле не удаётся всё переработать. Электроны восстана-
вливают промежуточные переносчики, здесь флуорес-
ценция большая. Потом постепенно начинает раска-
чиваться система. И флуоресценция уменьшается. По
разности между максимальной флуоресценцией, ко-
гда все центры закрыты, и обычной, при небольшом
освещении, мы можем судить о потенциальной эффек-
тивности работы фотосинтеза. И оказывается, что это
можно использовать в двух отношениях.
Во-первых, существуют различные фотосинитиче-
ские системы. Есть листья, фитоплантон, который в
океане, и очень важно определить эффективность фо-
тосинтеза. Для фитоплантона, для рыболовного хозяй-
ства это вообще очень важно. Рыба пойдёт туда, где
есть чем питаться, где фитоплантон. Это очень важ-
но. А с другой стороны, хлорофилл, который сидит в
мембране, как я уже говорил, он очень чувствителен к
всевозможным антропогенным загрязнениям – герби-
циды, ещё что-нибудь, что проникает в клетку. И когда в
клетку они проникают, они меняют состояние мембран,
а, как следствие, меняется флуоресценция хлорофил-
ла. Как правило, она портится – в том числе и состоя-
ние хлорофилла, а флуоресценция увеличивается.
Александр Гордон. Запасается меньше.
Андрей Рубин. Да, совершенно верно. И это можно использо-
вать. С одной стороны, разность между максималь-
ной и нулевой флуоресценцией есть показатель эф-
фективности работы фотосинтетического аппарата. И
можно в автоматическом режиме измерять эту интен-
сивность флуоресценции в морях и океанах. Я покажу
некоторые примеры, и что это даёт. А с другой стороны,
можно посмотреть, как это регулируется всей клеткой.
И потом этот показатель можно использовать, для того
чтобы посмотреть – всё ли в порядке в фотосинитиче-
ской системе? И как следствие, а всё ли в порядке в
окружающей среде, поскольку растения, фитоплантон,
они чувствуют, что происходит вокруг и могут быть про-
сто индикатором состояния. Вот у нас на кафедре мы
ведём уже давно большие работы. Вообще всё, что я
рассказываю – это результат работы, в основном, моей
кафедры, конечно, но и большого количества сотруд-
ников. Я просто не могу перечислить все фамилии мо-
их друзей и коллег сейчас. Но поскольку я не научный
доклад делаю, я думаю это позволительно.
Александр Гордон. Они вас делегировали.
Андрей Рубин. В общем, я думаю, они проверят, правильно ли
я здесь всё говорю.
Так вот, на следующем рисунке я вам покажу один
пример. Вот корабль и маленький аппаратик здесь по-
казан, который мы опускаем в воду и можем в авто-
матическом режиме измерять интенсивность процес-
са фотосинтеза начальных этапов и смотреть, что там
происходит. Я вот такой вопрос, допустим, задам. Что
будет, если мы будем освещать клетку фитоплантон-
ную, но заставим её голодать при этом? Не дадим
ей фосфора, азота. Ответ правильный, казалось бы,
такой. Будут происходить первичные процессы, будет
происходить разделение зарядов, при этом будут нака-
пливаться АТФ, но роста не будет – потому что не из че-
го строить тело. Но подождёт клетка хороших времён,
когда у нас появится фосфор, азот, но не всё же время
она будет голодать. И тогда эта АТФ будет использова-
на, клетка будет расти. Это логически правильный от-
вет, но не верный.
Потому что в клетке существует огромная опас-
ность. А именно. Если у нас есть избыток электронов
и избыток энергии электронного возбуждения, не ис-
пользованные в данный момент времени, то кислород,
который везде находится, в том числе, кстати, выделя-
ется при фотосинтезе, как побочный продукт фотосин-
теза, будет активироваться, и восстановленный кисло-
род или возбуждённый кислород будет вызывать раз-
рушение мембран.
Кстати, все эти разговоры на счёт озонной дыры
– это, видимо, была, так сказать, хорошо проведён-
ная дезинформация, для того чтобы хладагенты за-
менить. Но само по себе это физически обосновано.
Озон, который экранирует от проникания ультрафио-
лета, мешает активации кислорода. Если вы будете
слишком много загорать, у вас появится рак кожи, у вас
будет выцветание фотодинамических красителей. Это
то, что угрожает самой клетке. Я бы здесь провёл срав-
нение с недоброй памяти Чернобыльской АЭС. Пото-
му что там тоже скорость выделения энергии в процес-
се реакции оказалась большей, чем скорость замедле-
ния, и произошёл взрыв.
Здесь то же самое. Надо не дать возможности ак-
тивировать кислород. Как это клетка делает? Это ко-
лоссальный пример. Следующий рисунок, пожалуй-
ста. Если кислород активируется, то происходит раз-
рушение клетки. Понятно, чем это всем нам грозит.
Так вот, оказывается, клетка делает следующее, когда
слишком много света, а она голодная. Она электрон
на самых ранних этапах направляет назад за очень ко-
роткое время. Время меньшее, чем время, нужное для
активирования кислорода. И это происходит не только
в лабораторных условиях, а прямо в природе. Вот по-
смотрите. Эти наблюдения проводились в Средизем-
номорье, но у нас в Подмосковье то же самое проис-
ходит. В восемь утра солнца мало и пищи вполне до-
статочно. В этом смысле они голодают. Пища соизме-
рима с количеством квантов. Я очень грубо говорю, но
понятно.
Александр Гордон. Пропорция верная.
Андрей Рубин. Не слишком много квантов, не захлёбывается
она. И интенсивность фотосинтеза большая. А вот под-
нимается солнце, 12 часов дня, интенсивность фото-
синтеза падает и становится минимальной. Что зна-
чит падает? Электрон обращается назад. Это сопрово-
ждается увеличенным свечением – не дать кислороду
схватить эту энергию, не разрушить клетку. А потом, ко-
гда солнце заходит, опять все возвращается назад. Вот
и у нас то же самое. Можно на следующем рисунке это
увидеть. Вот посмотрите, Можайское водохранилище.
Ну, не Адриатическое море, но свои прелести здесь то-
же есть. На глубине одного метра в десять часов утра
интенсивность фотосинтеза максимальная. Не так уж
много солнца у нас в Подмосковье в десять часов утра.
Но когда в два часа дня интенсивность солнца уже до-
статочно большая и на глубине одного метра его слиш-
ком много – вот тут интенсивность фотосинтеза упала.
А на глубине двух метров она как раз стала максималь-
ной. То есть, они активно это регулируют.
Я тут не позволю себе вдаваться в механизмы, но
чтобы остаться, так сказать, в рамках жанра, скажу, что
здесь идёт восстановление пластахинона, о котором я
говорил. Только эти научные слова произнесу, глубже
не буду вдаваться. За счёт того, что появляется боль-
шой отрицательный заряд на пластахиноне, за счёт ли-
кростатического отталкивания электроны не успевают,
им не дают возможности уйти в цепь, кислород не успе-
вает активироваться за это время. Это что касается
активность фотосинтеза. Теперь как использовать эти
показатели для того, чтобы определить степень антро-
погенного загрязнения.
Можно просто измерять эту интенсивность фотосин-
теза начальных этапов по переменной флуоресцен-
ции, измерять в режиме реального времени, в реаль-
ных условиях. Я вам покажу несколько примеров, кото-
рые интересны. Это мы делаем на нашей кафедре. Мы
заключили договор с мэрией Москвы и провели обсле-
дование различных деревьев. Результаты я вам потом
покажу. С нашим шариком мы проехали на трамвай-
чике по Москва-реке. Что мы получили. Вот посмотри-
те. 40 километров мы проехали по Москва-реке. Растёт
количество водорослей в Москва-реке по мере продви-
жения в городскую черту. Почему? Вообще, они живут,
так сказать, и процветают там. А вот интенсивность
фотосинтеза остаётся приблизительно постоянной. Их
много, но все они себя чувствуют неплохо. Но вот в не-
которых местах, а именно, в устье Яузы, и в устьи ещё
одной реки… Не помню, не могу разобрать…
Александр Гордон. Завод имени Лихачёва и Южный порт. Самые
экологические неприятные места.
Андрей Рубин. Да, да, да. Вот посмотрите, что мы видим. Рез-
кое уменьшение интенсивности фотосинтеза. Мы мэ-
рии предлагали сделать всё бесплатно, дайте нам
трамвайчик, мы проедем по Москва-реке и покажем,
где неучтённые вами сбросы вод. В режиме реального
времени. Но – это к вопросу о востребованности науки
– дальше платонических разговоров дело не пошло.
Александр Гордон. Но данные же вы получили всё-таки.
Андрей Рубин. Ну, одно дело эти данные. Другое дело, что с ни-
ми делать. Мы большое беспокойство вызываем. Спо-
койнее гораздо знать то, что есть и не знать ничего
больше. Я думаю, тут понятно, что я хочу сказать. Не
хочу кидать ни в чей огород камешки, но мы можем это
сделать. Пока не получилось.
Другая проблема есть. Скажем, проблема цветения
водорослей, забивка труб сточных, ещё чего-то такое.
Это очень важный момент. Вот на озере Байкал важ-
но предсказать время цветения. На озере Байкал ак-
тивное цветение начинается, примерно, где-то в конце
февраля и идёт в марте. Ну, это известно. А вот, по-
смотрите, как идёт интенсивность фотосинтеза на на-
чальных этапах. Она начинает подниматься за два-три
месяца до цветения. Они начинают готовиться. Пред-
ставьте себе, насколько это важно знать в данном кон-
кретном водоёме или в какой-нибудь системе, где идёт,
возможно, загрязнение – знать и заранее всё это пред-
сказать. Насколько это важно.
Вот переменные флуоресценции уже на городских
лесонасаждениях. Ну, мы знаем, что в Москве гибнут
десятки тысяч деревьев. Причём, как они гибнут? Оно
стоит, стоит, потом оно, так сказать, довольно резко
гибнет. И потом начинается постфактум – выяснение.
А почему у нас здесь было вредное место, ещё чего-то
такое. Вот мы прошли улицу Марии Ульяновой и изме-
рили эту переменную флуоресценцию. У нас есть не-
большое ноу-хау, как можно мерить переменную флу-
оресценцию не только на листьях, но и на коре. Это
зимой даже можно сделать, когда никаких листьев нет.
Это так вот, маленький секрет. И вот красным обозна-
чены опасные места, они совпадают либо с автобус-
ной остановкой, либо с каким-то местом, где было ка-
кое-то строительство, либо где автобусы дизели свои
не выключали, вот что-то в таком духе. И можно же
провести сканирование. Более того, при планирова-
нии, скажем, фасадов каких-то можно с точностью до
одного-двух метров показать безопасное расстояние
для лесонасаждений.
Александр Гордон. Кроме того, выбрать, наверное, и породы дере-
вьев, которые будут устойчивы.
Андрей Рубин. Абсолютно точно. Представляете, какая про-
блема. Вы дорогие какие-то саженцы привезли, да ещё
они откуда-нибудь с юга. И вы не знаете, какие прижи-
вутся тут, в наших условиях. А мы по этой величине
в зависимости от температурного воздействия их мо-
жем отобрать. Причём, с большой точностью, в слепых
опытах мы это делали.
С мичуринцами у нас договор был. Мы дали им со-
ответствующий прибор, маленькую такую прищепочку,
как мы её называем, спектроскопическую, с помощью
которой они могут определить зимостойкость яблоне-
вых саженцев. И они это используют активно, это очень
хорошая вещь. Ещё один пример я вам покажу. Вот,
допустим, антропогенное загрязнение – соли тяжёлых
металлов. Вообще проблема питьевой воды – извест-
ная вещь. Бывает же ситуация такая, когда по химиче-
ским анализам всё хорошо, а в целом сочетание вред-
ное. Ну и обратная картина.
Александр Гордон. Кроме того, динамические характеристики важ-
ны. Сейчас всё хорошо, а через две минуты всё плохо.
Андрей Рубин. Конечно, конечно. По частям всё вроде хорошо,
а общее впечатление отвратительное. Как в известном
анекдоте о впечатлении делегации по поводу завода.
«И то хорошо, и это хорошо, а общее впечатление –
отвратительное».
Итак, здесь водоём с разной концентрацией йонов
меди. Они небольшие в том смысле, что количество
клеток – зелёная линия – не меняется. То есть, никто
ещё не гибнет, всё хорошо. А по переменной флуорес-
ценции уже идёт падение. Это идёт отравление. За
много дней до того, как произошло падение клетки. Это
есть экспресс-диагностика, которую можно использо-
вать. Поэтому я сейчас пользуюсь тем, что мы с вами
говорим, и мы это продолжение повторяем. Мы гото-
вы это сделать, мы готовы обучить персонал. Это не
простые измерения, это не на весах взвесить. Это бо-
лее сложная вещь. Мы готовы, мы работаем в универ-
ситете, это наши обязанности. Нам это интересно. И
это можно сделать. Растения стоят на перекрёстке до-
рог и никуда не бегут. Это естественные часовые. Фи-
тапланктон в Москве-реке живёт, и он показывает, что
там происходит. И это нужно использовать. И это не на-
ша только выдумка, весь мир перешёл на спектраль-
ный метод автоматического мониторинга в режиме ре-
ального времени. Ну, и, хоть здесь, может, мы не отста-
нем. Я уж не знаю.
И последний пример я хотел бы привести такой.
Вы знаете о проблеме экологически чистых источни-
ков энергии – водород. Уже автомобили на водородном
топливе показывают. Откуда брать его? Я думаю, что
перспективны будут, конечно, химические дешёвые си-
стемы. Биологические тоже не сбрасываются со счёта.
Водоросли выделяют водород. Кстати говоря, некото-
рые водоросли его выделяют, когда начинают голо-
дать, когда им некуда девать электроны. И для того
чтобы они не достались кислороду, специальный фер-
мент гидрогинеза передаёт ион водороду. Выделяется
молекулярный водород. И, как побочный кислород, мо-
лекулярный водород. В культиваторах важно опреде-
лить время, когда это начинается.
И здесь показано, что начало выделения водорода
совпадает (мы недавно это открыли в совместных ра-
ботах с американцами) с резким падением фотосинте-
за. За десять – пятнадцать минут, а времена здесь – ча-
сы. Десять, двадцать, сорок часов. За пятнадцать ми-
нут резкое падение фотосинтеза, как предварительная
такая подготовка. Они показывают – сейчас будем вы-
делять водород. Резко уменьшаем фотосинтез, и бу-
дем электроны на водород отдавать.
Заключая, я бы сказал так. Если вернуться опять к
проблеме сложных систем, то мы ведём, уже начали
работу по моделированию этой системы в целом. Мы
знаем, как она устроена. Мы знаем, какие там констан-
ты, из экспериментов знаем. В этих условиях методи-
ка математического моделирования сложных больших
моделей очень перспективна. Потому что то, что мы
определим путём подбора констант, с большой веро-
ятностью можно считать, что это соответствует реаль-
ным системам. Это эвристическая ценность модели-
рования, когда вы можете теоретически узнать то, что
или трудно экспериментально узнать, или в голову да-
же не приходит. Это достаточно ценная вещь.
Но в принципе, оказывается, что одна из основных
трудностей состоит в том, что мы привыкли считать,
что константы неизменны. А вот то, что мы здесь виде-
ли, показывает, что возвращение части электронного
потока, как ответ на реакцию, означает, что меняется
узкое место. Изменяются константы. И я хотел бы это
проиллюстрировать немножко несколько фривольным
что ли рисунком.
Все бегут на лекцию в Московский университет с пе-
ресадкой в метро. А в метро узкое место – это эска-
латор. Что это значит? Сколько бы вы поездов не до-
бавляли сюда, если вы не увеличите скорость движе-
ния по эскалатору, у вас скорость вообще не увели-
чится. Вот так регулируется эта система. Хотите уве-
личить скорость прибытия на лекцию, увеличьте чи-
сло эскалаторов. Это обычный принцип узкого места.
И ещё здесь есть сигнал обратной связи. То, что здесь
узкое место, передаётся на вход и говорят: не теряй-
те время, займитесь чем-то ещё. Идёт изменение то-
пографии системы. Вот в чём трудность моделирова-
ния больших систем. Они вроде как стационарные, но
константы там могут меняться и, в принципе, на любом
этапе. Ну, не на любом, конечно. Но вот здесь показа-
но, куда они бегут. Побежали в библиотеку чего-то чи-
тать. В кино тоже – неплохо. Могут бизнесом занять-
ся – тогда конец науке. Потому что в бизнес из науки
есть путь, а из бизнеса в науку я чего-то примеров кон-
структивного возвращения не знаю. Но будем надеять-
ся, что сила и образования нашего, и традиций науч-
ных такова, что нам ещё не скоро удастся похоронить
науку, несмотря на все недобрые усилия.
Александр Гордон. А сколько времени пройдёт от создания ком-
пьютерной модели той сложно действующей системы
до попыток синтезирования такой системы? И вообще
возможно ли это или это фантастика?
Андрей Рубин. Вы знаете, эта проблема сейчас встала. Я могу
вам сказать, что у нас на кафедре есть опыт модели-
рования. Вообще у нас в стране, надо сказать, силь-
ная школа математического моделирования. У нас на
кафедре есть небольшая группа, ещё сильная группа в
Пущино есть, в физическом институте. Так что с мозга-
ми у нас всё в порядке всегда было. И сейчас там с ком-
пьютерами тоже неплохо. Но я вам скажу так. Я думаю,
что в целом смоделировать клетку, – до этого ещё, ко-
нечно, далековато. И здесь даже не в том дело, что
компьютерной мощи может не хватить, а в том, что мы
ещё не всё знаем. Слишком большой произвол будет.
Если вы посмотрите на карту клеточного метаболизма,
голова кругом идёт, конечно. Это нереально. Нереаль-
но потому, что мы ещё далеко не все константы знаем
и не всё знаем. Но отдельные блоки, функционально
осмысленные и биологически имеющие значение – ко-
нечно, пришла пора это делать. Вот мы сейчас займём-
ся фотосинетическим моделированием, есть и другие
проекты. И я думаю, года через два-три мы получим
реальные результаты.


Обзор темы


Свет как питательный субстрат. Фотосинтез возник в процессе эволюции, придя на смену гетеротрофному способу питания, в котором изначально потреблялись абиогенно синтезированные питательные вещества. Можно сказать, что фотосинтез обязан своим «происхождением» своего рода экологическому кризису, возникшему в результате исчерпания на определенном этапе развития жизни органических ресурсов планеты. В настоящее время фотосинтез — главный процесс, обеспечивающий энергией все живое на Земле за счет энергии света. Достаточно сказать, что ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд. т органического вещества, усваивается 300 млрд. т СО2 и выделяется около 200 млрд. т свободного О2. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции.
На начальных стадиях эволюции в качестве уловителей энергии света стали использоваться порфириновые молекулы ароматических соединений, которые до этого уже существовали на Земле. Теперешние фотосинтезирующие организмы обязательно содержат магнийпорфириновые пигменты ? хлорофиллы. Известно больше десяти видов хлорофиллов, но все они поглощают свет видимой и инфракрасной частей спектра от 300 до 1100 нм. Для всех хлорофиллов характерно наличие нескольких максимумов поглощения и флуоресценции.
Первичные процессы фотосинтеза. Суммарный процесс фотосинтеза высших растений можно разделить на две взаимосвязанные стадии: световую и темновую. Со времен К. А. Тимирязева было ясно, что центральное место в системе фотосинтеза занимают первичные фотопроцессы. Это реакции, в которых энергия света, поглощенная пигментами фотосинтезирующего организма, преобразуется непосредственно в энергию химических связей продуктов фотосинтеза. Раньше систему первичных процессов фотосинтеза называли системой световых реакций, где поглощение квантов света приводит к тому, что энергия электронного возбуждения молекул хлорофилла запасается в виде химической энергии молекул восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ). Эти соединения являются конечными продуктами световой стадии фотосинтеза. Они необходимы и достаточны для того, чтобы в темноте (без непосредственного участия света) произошло восстановление СО2 в цикле Кальвина.
Основная проблема состоит в том, каковы механизмы этих начальных стадий фотосинтеза. Именно здесь находятся «энергетические ворота жизни», где происходит стыковка физических, биологических, биохимических, физиологических процессов, которые и создают энергетическую основу жизни на Земле и сопровождаются выделением кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Изучение системы первичных процессов требует усилий специалистов различного профиля: физиологов растений, биохимиков, биофизиков, физиков, математиков.
По сравнению с другими биологическими системами первичные процессы фотосинтеза — очень своеобразный объект, где происходит непосредственное взаимодействие физических процессов (электронного возбуждения, транспорта электронов) с биологическими. Характер изменения первичных стадий фотосинтеза непосредственно отражается в изменении флуоресценции хлорофилла в фотосинтетических мембранах клеток. Флуоресценция хлорофилла способна обеспечивать резонансный перенос энергии, однако в то же время по так называемым индукционным кривым флуоресценции представляется возможным судить не только об эффективности энергозапасающих процессов фотосинтеза, но и о состояние мембран хлоропластов или даже экологических систем.
Структурно-функциональная организация электронтранспортной цепи фотосинтеза. В первичных процессах фотосинтеза кванты света поглощаются пигментами в двух фотохимических системах — ФС1 и ФС2, которые функционируют последовательно, передавая электрон по цепи промежуточных соединений. Источником электронов служат молекулы воды, которые разлагаются с выделением кислорода. Основная форма запасания энергии света — организация электронного потока, который представляет собой не просто набор отдельных окислительно-восстановительных реакций, а направленную цепь транспорта электронов между переносчиками, локализованными в фотосинтетических мембранах. Главная особенность первичных процессов состоит прежде всего в том, что начальные этапы переноса электрона — отрыв электрона от хлорофилла, восстановление первичного акцептора — происходят в реакционных центрах (РЦ) очень быстро, за несколько пикосекунд (3.10-12 с). Эффективность начальных процессов в реакционных центрах очень высока. Она была определена экспериментально и оказалась близкой к единице — почти 100%.
Реакционные центры (РЦ) — это «приводные ремни» фотосинтеза, его ключевое звено. Они представляют собой «белковую машину», в которой происходит трансформация энергии электронного возбуждения. Принципы работы этой машины лежат также в основе функционирования других энергопреобразующих макромолекулярных комплексов трансформации энергии (АТФ-синтетазы, бактериородопсины, активных центров ферментов). Различают активное «открытое» и пассивное «закрытое» состояния РЦ, отличающихся на несколько порядков ( 300 пс и 1,6 нс ) по средним временам флуоресценции хлорофилла в них in vivo.
В частности, своеобразие белково-пигментных комплексов бактериородопсина (БР) состоит в том что в них белок БР функционирует как светозависимый протонный насос. Он обеспечивает образование электрохимического градиента протонов на поверхности мембраны клетки, который, в свою очередь, служит для аккумулирования энергии. Первичная работа, производимая градиентом, заключается в синтезе АТФ через анаэробное (фотосинтетическое) фосфорилирование. Проводя эксперименты in vitro с упорядоченными пленками БР, выделенным из пурпурных мембран фотосинтезирующих галобактерий, была установлена возможность практического использования высушенных термостойких пленок этого белка для интеграции их с оптическими токопроводящими подложками. Это, в свою очередь, открыло практические возможности применения БР для разного рода электронных устройств, детекторов, датчиков и биотехнических информационных систем.
В системе первичных процессов фотосинтеза высших растений РЦ обеспечивают перенос электрона с одной стороны мембраны на другую. В этом смысл работы РЦ фотосинтеза. Между макромолекулярными комплексами РЦ находятся подвижные переносчики, которые, получив электрон от фотосистемы 2, переносят его к фотосистеме 1. При переносе электронов внутри тилакоида одновременно накапливаются протоны, что лежит в основе движущей силы образования АТФ.
Каковы же механизмы транспорта электрона, которые обеспечивают его эффективный и направленный перенос в макромолекулярных комплексах РЦ? Очевидно, здесь не годятся механизмы, связанные с обычными физико-химическими реакциями в растворах, где процесс происходит в результате столкновения молекул за счет избытка их кинетической энергии, достаточного для преодоления активационного барьера. В вязкой фотосинтетической мембране невозможен свободный пробег больших молекул на многие межмолекулярные расстояния, которые бы обладали избытком кинетической энергии. Здесь переносчики уже исходно взаимно ориентированы в макромолекулярных комплексах.
Важно подчеркнуть, что макромолекулярные комплексы — это та форма организации фотосинтетического аппарата, которая отвечает за общий характер и эффективность первичных процессов фотосинтеза. Вопрос о том, каков механизм переноса электрона в этих условиях, имеет важное значение. Электрон не просто переносится между переносчиками, а совершает работу по восстановлению соединений НАДФ и образованию АТФ в световой стадии. Понять, как происходит перенос электрона, — значит понять, как работает электрон в реальных условиях.
Экспериментально установлено, что начальная фотохимическая реакция в РЦ — появление электрона на первичном акцепторе (I) и положительного заряда на фотоактивном хлорофилле (P) — происходит очень быстро и с большой эффективностью:
hν + PI → P *I → P +I -
Каким же образом происходит запасание энергии в РЦ? Поглощение света переводит молекулы в электронно-возбужденное состояние. Естественное время жизни возбужденного состояния ароматических соединений, в том числе хлорофилла, составляет величину порядка 5 нс (5 х 10- 9 с). Известно, что за это время энергия электронного возбуждения молекулы либо переходит в тепло, либо испускается в виде кванта флуоресценции. Для того чтобы эта энергия с большой эффективностью использовалась в РЦ фотосинтеза, очевидно, необходимо, чтобы это происходило за время короче 5 нс. В противном случае не будет шанса «поймать» и использовать энергию возбуждения в фотосинтезе, а она будет растрачиваться в тепло или флуоресценцию. Для того чтобы обеспечить высокую (около 100%) эффективность реакции Р*I → PI- в фотосинтезе, необходимо, чтобы такой процесс происходил гораздо быстрее, чем испускание света флуоресценции. Действительно, в реальности это время составляет всего несколько пикосекунд (10- 12 с).
Дальнейший перенос электрона по цепи фотосинтеза приводит уже к восстановлению других переносчиков и в итоге к появлению конечных продуктов световой стадии (НАДФН и АТФ), которые вступят в обычные ферментативные реакции. Известно, что среднее время ферментативных реакций находится в диапазоне миллисекунд (10-3 c). Увеличение времени реакции от пикосекунд в РЦ фотосинтеза до миллисекунд в ферментативных процессах составляет девять порядков (т.е. в миллиард раз ). Это колоссальный перепад времен, который необходимо перекрыть для сопряжения световой и темновой стадий фотосинтеза. Именно поэтому первичные процессы организованы по принципу электронного потока, который постепенно замедляется, делая доступным электроны на последних стадиях для обычных ферментативных процессов.
Фотоконформационный переход. Для того чтобы происходил эффективный перенос электрона между донорными и акцепторными группами переносчиков, необходимо, чтобы они были сориентированы определенным образом, то есть пришли в контактное состояние. Именно для формирования этого исходного контактного состояния необходимы определенные крупномасштабные (1–1,5 Å ) смещения молекулярных групп. На эти процессы можно влиять, модифицируя состояние образца: понижая температуру, обезвоживая его. Очевидно, в этом случае уменьшается количество пар контактных молекул-переносчиков, которые способны к переносу электрона.
Известно, что приход электрона в равновесную молекулу акцептора изменяет ее электронное состояние, а поскольку конформация молекулы должна соответствовать ее электронному состоянию, то при этом исходная конформация становится неравновесной. В результате возникают внутримолекулярные силы, которые стремятся привести молекулу в новое конформационно-равновесное состояние в соответствии с ее новым электронным состоянием. Тем самым индуцируется каскад конформационных изменений.
Это было продемонстрировано в опытах на РЦ, где молекулы пигмента и первичного хинона обмениваются электронами (Р ↔ QA). Если понизить температуру такого образца в темноте, а потом осветить образец, то при освещении наблюдается окисление пигмента (Р*QA → Р+QĀ), а затем при выключении света можно видеть его восстановление (Р+QĀ → РQA) по двум путям: быстрому и медленному ( быстрая и медленная компоненты восстановления Р → QA и QA → Р ). При низких температурах быстрая компонента восстановления Р+ преобладает над медленной. При комнатной температуре высокоэнергетическое состояние акцептора также заселено и возврат на пигмент из него происходит по медленной компоненте.
Однако ситуация принципиально меняется, если понижать температуру не в темноте, а одновременно с освещением образца. При освещении электрон попадает на хинон, где из-за изменения электронного состояния хинона меняется и конформационное состояние всей молекулы этого акцептора. Поэтому с первых моментов освещения, когда только началось охлаждение, начинается и каскад конформационных изменений. Затем при дальнейшем понижении температуры мы «ловим» объект на разных стадиях этих конформационных изменений, вызванных действием света. В зависимости от скорости понижения температуры и интенсивности света можно зафиксировать объект на том или ином состоянии, соответствующем глубине конформационного перехода. Кинетика восстановления Р* при разных температурах в этих образцах будет совершенно иной. Она определяется возвратом электрона из разных точек на пути конформационного перехода.
Таким образом, полученные результаты показывают, что скорости реакций переноса электрона зависят от того, в каком конформационном состоянии находится соответствующий переносчик. Конформация переносчиков меняется на свету, значит, и константы скоростей реакций в цепи фотосинтеза будут зависеть от условий предварительного освещения.
Существуют физические и математические модели, которые позволяют описать такие конформационные движения. На основании теоретической обработки экспериментальных данных можно определить масштабы и времена смещений, внутримолекулярную вязкость. Необходимо также отметить следующее. Обычно перенос электрона по цепи фотосинтеза или митохондриальной дыхательной цепи представляется в виде движения шарика, катящегося вниз по лестнице, где каждая ступенька — энергетический уровень переносчика. В такой модели при переходе электрона на новую ступеньку часть энергии электрона либо расходуется в тепло, либо запасается в АТФ. Теперь эти представления в свете полученных результатов следует дополнить следующим образом. Каждый раз, попадая на соответствующую ступеньку, шарик, условно говоря, под действием силы тяжести вызывает поворот ступеньки (в результате электронно-конформационных взаимодействий) в таком направлении, что облегчается его движение дальше на следующую ступеньку. Этот поворот происходит достаточно быстро, поэтому вероятность обратного перехода остается намного меньше вероятности перехода вперед и весь транспорт становится эффективным и необратимым. Таким образом, переходы электрона неотделимы от конформационного состояния переносчиков, и, более того, они возможны лишь в том случае, если есть внутримолекулярная подвижность в белковых частях переносчиков.
Механизм переноса электрона. В реакционных центрах происходит быстрый (150 пс) перенос электрона на большие межмолекулярные расстояния, с одной стороны мембраны на другую (до 50 Å) Активная роль в этом процессе принадлежит белковому окружению молекул-переносчиков. Дело в том, что белок не является пассивным местом расположения переносчиков, а сам принимает активное участие в транспорте. Состояние белка играет непосредственную роль в обеспечении электронного транспорта в цепи фотосинтеза.
Механизмы переноса электрона изучают в биофизике методами низкотемпературной фиксации объекта, которые позволяют исследовать кинетику процессов при пониженных температурах. Принципиальным результатом, который показал своеобразие первичных процессов фотосинтеза, является то, что процесс переноса электрона при низких температурах (-196 С) протекает в реакционных центрах с высокими скоростями. Впервые это было установлено в начале 60-х годов при изучении реакции окисления цитохрома (вторичный донор D) фотоактивным бактериохлорофиллом (Р870) после действия кванта света. Данные о температурной зависимости скорости процесса показывают, что перенос электрона в этой системе совершается при температуре ниже 100 К, то есть при температуре жидкого азота со скоростями, в общем близкими к скоростям переноса при комнатной температуре.
В основе этого лежит так называемый туннельный эффект — квантовомеханическое явление. Электрон переносится между двумя молекулами переносчиков, разделенных барьером, в условиях, когда энергия электрона недостаточна для преодоления этого барьера. В классической физике в этих условиях перенос электрона был бы невозможен, поскольку при низких температурах он не может получить необходимую для преодоления барьера энергию. Квантовомеханический эффект состоит в том, что в силу своей волновой природы электрон как бы просачивается под барьером. Отсюда и название — туннельный перенос. Электрон туннелирует от одного переносчика к другому с вероятностью, которая зависит от ширины и высоты барьера: она экспоненциально уменьшается с увеличением этих параметров.
Принципиальным обстоятельством является то, что в экспериментах перенос электрона в фотосинтетической цепи в реакционных центрах происходит с очень большой эффективностью и, следовательно, он должен происходить необратимо. Однако туннельный перенос возможен в принципе как от донора к акцептору, так и в обратном направлении. И в случае, если молекулы обладают одинаковыми размерами, эффективность переноса электрона составляет всего около 50%. Для того чтобы сделать перенос необратимым, нужно, чтобы во время пребывания электрона на молекуле акцептора он успел потерять часть энергии. Тогда совпадение уровней между донором и акцептором будет нарушено. Если при этом электрон успел локализоваться на акцепторе, то он уйдет дальше в цепь переносчиков и перенос на этом участке станет необратимым.
Процесс туннелирования лежит в основе переноса электрона на многие межмолекулярные расстояния в фотосинтетических мембранах. Надо отметить, что туннельный перенос настолько эффективен, что происходит даже при комнатной температуре с большей эффективностью, чем обычный надбарьерный активационный перенос.
Современная биофизика показывает совершенно определенную взаимосвязь между внутримолекулярной подвижностью белка РЦ и переносом электрона. Например, при понижении температуры происходит некоторое замедление переноса электрона на участке между первичным и вторичным акцепторами QA → QВ. При этом одновременно уменьшается и внутримолекулярная подвижность белка РЦ, которая была измерена с помощью специальных методов радиоспектроскопии.
Однако существуют обратные реакции транспорта электронов, которые сопровождаются люминесценцией (флуоресценцией) хлорофилла. По величине флуоресценции, которая соответствует потерям поглощенной энергии света, можно судить об эффективности запасания энергии в начальных стадиях фотосинтеза.
Флуоресцентные методы в экологическом мониторинге. Характер изменения первичных стадий фотосинтеза непосредственно отражается в изменении флуоресценции хлорофилла в фотосинтетических мембранах клеток. Флуоресценция хлорофилла является пока единственным показателем, который позволяет исследовать в живых объектах протекание фотохимических реакций, связанных с работой фотосистемы 2 высших растений (ответственной за разложение воды и выделение кислорода ) — системы, наиболее чувствительной к факторам внешней среды таким как: экстремальные температуры, избыточная освещенность, соли тяжелых металлов, высушивание, повышение содержания солей в питательной среде.
При активном фотосинтезе, когда все РЦ находятся в открытом рабочем состоянии, в условиях слабого освещения почти вся поглощенная энергия света используется в процессе фотосинтеза. Поэтому интенсивность флуоресценции хлорофилла в клетке намного ниже, чем в растворе. Однако и здесь небольшая часть энергии электронного возбуждения (не более 3%) переходит в энергию света флуоресценции в виде так называемой фоновой флуоресценции F0 . Как правило, в нормальных условиях величина F0 мала, что говорит об активном использовании клетками энергии поглощенного света. Но если при каких-либо воздействиях нарушается состояние фотосинтетических мембран, то центры (РЦ) переходят в неактивное (закрытое) состояние, когда происходит прекращение потока электронов в первичных процессах фотосинтеза. В этих условиях поглощенная энергия света уже не может использоваться в фотосинтезе, поэтому и флуоресценция хлорофилла возрастает. Можно полностью вывести из рабочего состояния РЦ, например при действии ингибитора потока электронов диурона. В этом случае флуоресценция сильно возрастает и приближается к своим максимальным значениям Fm . Заметим, что закрыть центры, можно создавая также избыточную освещенность клеток, когда происходит световое насыщение фотосинтеза. Фотосинтетическая цепь переноса электрона как бы захлебывается от избытка поглощенной световой энергии, переводя все большую часть поглощенной энергии света в флуоресценцию.
Флуоресценция фитопланктона. Для исследования флуоресценции фитопланктона в природных водоемах на кафедре биофизики биологического факультета МГУ разработан специальный прибор (погружной зонд-флуориметр), позволяющий проводить измерение величин F0 и Fm в водоемах на разных глубинах (до 200 м). Принцип действия зонда состоит в том, что при освещении первой слабой вспышкой света порции фитопланктона, в зонде измеряется величина фоновой флуоресценции F0 . Затем при действии второй мощной вспышки света в клетках происходит кратковременное насыщение всех РЦ, которые не успевают утилизировать поглощенную энергию света и переходят в результате этого в закрытое состояние. В этих условиях флуоресценция хлорофилла возрастает до максимальных значений Fm . Таким образом можно определить значения переменной флуоресценции Fv = Fm — F0 и отношение Fv / Fm , которые отражают эффективность запасания энергии света на начальных этапах фотосинтеза. Поскольку величина F0 зависит от количества хлорофилла в клетках, то это можно использовать для определения его концентрации. По величине F0 можно также определять и количество биомассы фитопланктона, которое пропорционально содержанию хлорофилла в клетках. Определение величин F0 и Fv / Fm позволяет выявить ситуации, когда в водоемах имеется много фитопланктона (F0 велико), однако его активность и продукция невелика из-за неблагоприятных условий. На основании этих данных можно получить сравнительную информацию о распределении как самого фитопланктона (F0), так и его фотосинтетической активности (Fv / Fm) по глубине и горизонтальным разрезам в водоемах и рассчитать фотосинтетическую продукцию.
Использование погружной аппаратуры для регистрации параметров флуоресценции хлорофилла показало пространственную неоднородность распределения количества клеток и активности фотосинтеза в популяции фитопланктона. Во многих водоемах максимальная эффективность фотосинтетического аппарата не всегда совпадает с максимумом концентрации фитопланктона, однако коррелирует с обеспеченностью минеральным питанием фитопланктона. Например, в низкопродуктивных районах Тихого океана, Средиземного моря и озера Байкал значения Fv / Fm колебались от 0,3 до 0,5–0,6. В более богатых водах Черного моря активность Fv / Fm возрастала до 0,6. В сильно обогащенных водах северо-западного района Черного моря и залива Котор Адриатического моря активность фитопланктона была характерной для оптимальных условий. С глубиной активность фотосинтеза также меняется, достигая максимума на тех глубинах, где существует приток минеральных солей, а количество проникающего света еще достаточно для фотосинтеза. В тропических водах Тихого океана это наблюдается на глубине 80–120 м. Интересно, что увеличение активности фотосинтеза и появление клеток с высоким значением Fv / Fm предшествует периоду цветения, который сопровождается резким увеличением концентрации фитопланктона в водоемах. Это было обнаружено на озере Байкал и в северо-западном районе Черного моря.
Индукционные кривые флуоресценции, отражающие увеличение интенсивности флуоресценции после начала освещения, является совокупным результатом фотосинтетических процессов в мембранах фотосинтезирующих организмов. В популяции, как правило, могут присутствовать индивидуальные клетки, находящиеся в различных физиологических состояниях, которые связаны с различным уровнем фотосинтеза. Это проявляется в различном уровне флуоресценции, а также в различных формах индукционных кривых разгорания флуоресценции хлорофилла в этих клетках. С помощью микрофлуоресцентного микроскопа можно получить набор различных типов кривых индукции флуоресценции, снятых от одиночных клеток. Набор таких кривых может быть показателем гетерогенного состояния популяции в целом. Не вдаваясь в детальный анализ, отметим, что с помощью статистических методов обработки таких кривых можно построить диаграммы состояния популяции и проследить динамику его изменения. В природных условиях (Черное море) применение этого метода позволяло выявить, как меняется гетерогенный состав популяций в районах с различным уровнем антропогенных загрязнений. Там, где условия наименее благоприятные, преобладают клетки с такими типами индукционных кривых, где имеется высокий уровень флуоресценции, что указывает на низкую эффективность использования света в фотосинтезе.
Замедленная флуоресценция. Другим источником информации о характере функционирования фотосинтетического аппарата является процесс замедленной флуоресценции (ЗФ), обнаруженный Арноном и Стреллером в 1951 году. Это явление состоит в том, что после светового возбуждения в фотосинтезирующих клетках наблюдается слабое (сверхслабое), длительно затухающее свечение, испускаемое хлорофиллом. Такое свечение возникает уже после прекращения флуоресценции (F0) за счет энергии, выделяемой в ходе темновых реакций первичных фотопродуктов фотосинтеза в РЦ. Было показано, что интенсивность ЗФ пропорциональна количеству РЦ в состоянии Р+А1- с разделенными зарядами. Это состояние зависит от скорости последующих стадий переноса электрона. При действии повреждающих факторов на фотосинтетический аппарат концентрация РЦ в состоянии Р+А1-может изменяться. Это позволяет использовать ЗФ для обнаружения загрязнений в различных средах обитания растений.
Искусственный фотосинтез. На сегодня эффективность работы фотосинтезирующих организмов достаточно высока, но есть подходы и перспективы для ее качественного и количественного повышения. Это может быть достигнуто как на пути развития биотехнологических, а возможно и чисто технологических приемов. Пока что попытки создания искусственных систем по преобразованию солнечного света в органические материалы, проводившиеся многими лабораториями мира, не привели к существенным успехам на этом поприще. Функционирование искусственно созданных «молекулярных машин» отличалось нестабильностью или имело крайне низкий коэффициент полезного действия, в результате чего они оказывались экономически невыгодными. В то же время последние достижения в области нанотехнологий позволяют надеяться, что в перспективе можно будет создать эффективно работающие атомно-молекулярные агрегаты по преобразованию света непосредственно в пищевые продукты с заданными свойствами.

Библиография


Веселовский В. А., Веселова Т. В. Люминесценция растений. М., 1990
Владимиров Ю. А., Потапенко А. Д. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М., 1983
Караваев В. А., Кренделева Т. Е. и др. Особенности фотосинтетического аппарата листьев бобов, выращенных на водных растворах хлорида цинка//Биофизика. 2001. Т. 46. Вып. 2
Лукашев Е. П., Сейфуллина Н. Х. Температурная зависимость электроиндуцированного образования «кислой» формы бактериородопсина в пленках пурпурных мембран галобактерий//Биологические мембраны. 2003. Т. 20. № 2
Маторин Д. Н., Венедиктов П. С. Люминесценция хлорофилла в культурах микроводорослей и природных популяциях фитопланктона//Итоги науки и техники. Биофизика. 1990. Т. 40
Рубин А. Б. Первичные процессы фотосинтеза//Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №10
Рубин А. Б. Биофизика: В 2-х т. М., 2000
Рубин А. Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге//Соросовский Образовательный Журнал. 2000. № 4
Тихонов А. Н. Трансформация энергии в хлоропластах — энергообразующих органеллах растительной клетки//Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4
Тихонов А. Н. Регуляция световых и темновых стадий фотосинтеза//Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 11
Шестаков С. В. Молекулярная генетика фотосинтеза//Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 9
Franck F., Juneau P. et al. Resolution of the Photosystem I and Photosystem II contributions to chlorophyll fluorescence of intact leaves at room temperature//Biochim. Biophys. Acta. 2002. № 2
Gust D., Moore T. et al. Mimicking photosynthetic solar energy transduction//Acc. Chem. Res. 2001. № 34 (1)
Wunschiers R., Senger H. et al. Electron pathways involved in H(2)-metabolism in the green alga Scenedesmus obliquus//Biochim. Biophys. Acta. 2001. № 19.
Рекомендуем Быстро и удобно перевести гривны в рубли вы можете на сайте citizensbankdelphos.com.

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X