Солнце, жизнь и Джонатан Свифт – загадка фотосинтеза
Биологи утверждают, что если вообще можно выделить среди научных проблем главные, то простое голосование выдвинет на роль одной из них обязательно фотосинтез. Трудно даже перечислить все частные и общие разделы биологии, с нею связанные. Наверное, просто нет таких, которые вовсе никакого отношения к ней не имели бы. Популярная проблема. Нет человека, которого она не заставляла задуматься о себе. Ибо нет такого человека, который бы не останавливал взгляд на зеленом листе и не замечал бы, как он тянется к Cолнцу. Свифтовский мудрец из Лапутии, глядя на зеленый огурец в банке, совершенно очевидно, размышлял о фотосинтезе. Сатирик, высмеяв своего мудреца, совершил, видимо, ошибку. За что и поплатился поминанием всуе его имени в популярных книгах на эту тему.
Загадочная проблема. Она обыкновенна и сложна. Нет ничего обыденнее зеленой травы, нет удивительнее процесса, который в ней происходит. И для науки нет более четко ограниченной и более безграничной задачи, чем разгадка тайны фотосинтеза.
Жизнь – сложная штука
Термин этот значит — синтез с помощью света. И надо сказать — это вовсе не монополия зеленого листа. Его творят и животные организмы; витамин D, например, именно таким образом вырабатывается в нашем теле. Химики же запросто получают фотосинтетическим путем множество веществ. Уникальное открытие природы, создавшей зеленое растение, не в этом: оно не просто одно вещество превращает в другое — Н20 и С02 в белки, жиры и углеводы — оно при этом совершает с помощью хлорофилла превращение энергии, поставляемой Солнцем, в жизненную энергию, да еще и запасает ее впрок. Именно этот акт запускает длинную цепочку событий в земной жизни: потом запасенной энергией живет само растение, мы и все наши земляки — от тигра до гнилостной бактерии. А отходами этой реакции — кислородом — мы дышим.
Формула процесса фотосинтеза по частям почти вся воспроизведена в пробирках. Точно установлено или, в крайнем случае, предполагается с большой долей вероятности почти все, что происходит при этом с точки зрения химии и физики, и квантовой химии, и квантовой механики, и молекулярной биологии, и биохимии, и биофизики, и… Но почему же так много наук на одну-единственную простенькую формулу, которая к тому же демонстрируется нам повсюду ежедневно природой? Сейчас она, как расхожий кулинарный рецепт, в обязательном меню многочисленных лабораторий мира… но в отличие от природы готового блюда лаборатории пока не приготовили. Как пресловутый флогистон прошлого, тайна фотосинтеза ускользает от науки, части не соединяются в целое. Как-то все отдаляется и отдаляется момент, когда солнечный луч создаст «ложечку сахара» в пробирке и мы перестанем быть в рабской зависимости от плодов, поставляемых биосферой.
Возникает естественный вопрос: почему? Почему, несмотря на очевидные успехи современной биологии, несмотря на то, что фотосинтезом заняты десятки институтов, он все еще остается загадкой? Традиционные общие слова в ответ могли бы быть такими: «Разрешить ее не позволяет нынешний уровень науки», или «Жизнь — слишком сложная штука, и разгадать ее тайны непросто». Наконец, «вопрос бестактен, — скажут нам в сердцах, — наука и без того движется в наш век слишком быстро»…
Что значит «слишком сложно»?
И все-таки? Что это значит — «слишком сложно»? Попробуем, пусть бегло, ознакомиться с некоторыми областями теории фотосинтеза. Не обретут ли общие слова конкретность?
Много книг написано, например, хотя бы о строении хлоропластов — клеточных органелл, загадочных образований неизвестного происхождения, в которых и идет процесс фотосинтеза.
Хлоропласта выглядят в растительной клетке очень автономно, словно отдельные квартирки в общем доме: в них можно найти многие «детали обстановки», обязательные для самой клетки, — скажем, ДНК и РНК. И уже этот «интерьер» хлоропластов вызывает раздумья. Например, такое: зачем эта сложность? Без нее никак нельзя или это «пережиток», результат пройденного эволюцией пути? Может быть, даже хлоропласт был когда-то самостоятельным существом?
Вопросы вызывает и буквально каждая деталь «интерьера», не говоря уж о внутри-хлоропластных мембранах. Современной биологией мембранам в клетках отводится разнообразный и очень важный набор функций, без них не обходится ни один из внутриклеточных процессов, считается даже, что сама жизнь клетки держится на разности состояний, поддерживаемой в ее микроотсеках. Что же касается хлоропластов, считается, что именно на их мембранах и протекают реакции, которые вкупе составляют фотосинтез. Естественно, и строение внутриклеточных перегородок обычно очень сложно.
Нынешняя техника позволяет многое. Удается «видеть» с помощью электронного микроскопа объекты диаметром в доли микрона. Техника приготовления тканевых срезов тоже достигла виртуозности, какая не снилась лесковскому умельцу, подковавшему блоху. К услугам биологов и рентгеноконструкторный анализ. И все-таки в строении мембран очень многое неясно, полученные данные противоречивы. Неизвестна молекулярная структура их слоев, расположение компонентов…
Это — «многое неясно» — будет сопровождать нас и дальше, в какой бы раздел фотосинтетической теории мы ни заглянули. И что интересно, в каждом конкретном случае неясности видятся преодолимыми, кажется, вот-вот наука доберется, наконец, до «дна» проблемы. А «дна» не видно…
Вот еще один источник соображений, гипотез, размышлений и недоумений: хлорофилл, редкостное вещество, способное преображаться, заряжаясь энергией Солнца. С него-то «все» и начинается — с того, что на хлорофилл падает фотон света. Что происходит потом — уже предположения, более или менее вероятные. Увы, знания, добытые в пробирках химиками, останутся гипотетическими, пока не будет целиком реконструирован фотосинтетический аппарат. Потому и задается вопрос за вопросом, а «дна» проблемы не видно и здесь.
Например, как хлорофилл работает? По современным данным, хлорофилл включается в работу не отдельной молекулой, а в виде агрегата из сотен молекул, называемого фотосинтетической единицей. Световая энергия, поглощенная любой из молекул, передается в реакционный центр — специфическое соединение, состоящее из хлорофилла, других пигментов, белков, липидов и особым образом связанной воды. Именно здесь начинается трудная преобразовательная работа.
По сравнению со всем хлорофиллом, который содержится в зеленом растении, количество его, входящее в реакционные центры, очень невелико. Таким образом, подавляющая масса молекул хлорофилла служит в скромной должности «собирателей» световой энергии, а за переход ее в энергию химических связей отвечают немногие молекулы-специалисты. Тот хлорофилл, что входит в реакционный центр, видимо (вот уже и возникло это слово), находится в особых связях с теми соединениями, которые участвуют в переносе от воды к углекислоте электрона. Если организм утрачивает способность к образованию таких центров, он теряет способность к фотосинтезу. К этому можно было бы добавлять многие более или менее свежие подробности. Была установлена, скажем, очень важная вещь: пигменты в клетке (а там, к слову сказать, не один лишь хлорофилл, да и сам хлорофилл обретается в нескольких обличьях) способны передавать друг другу полученную на свету энергию, они словно подзаряжаются молекула от молекулы.
Вот как много известно (а это, естественно, далеко не все) о том, как хлорофилл организуется для работы.
Но как же все-таки он работает? Считается, что возбужденное состояние его молекулы обретают, присоединяя или отдавая при поглощении фотона электрон. Лишенные «своего» электрона или с «лишним» электроном, они становятся весьма активными, вступая с веществами инертными, прежде всего с водой, в различные реакции. Возбудив ряд веществ и заставив их прореагировать, друг с другом, электрон, отнятый у хлорофилла, в конце концов, возвращается на круги своя.
Это наиболее вероятное представление. Есть и другие, как пишут специалисты, экспериментально обоснованные недостаточно.
К сожалению, эксперименты ведутся часто на заменителях, сам хлорофилл in vitro отказывается выполнять все жизненные функции, и, скажем, для частичной имитации фотохимической реакции Е. Рабинович и Т. Андреева применяли метиленовый краситель. Опыты были успешны, но ведь не с тем веществом, какое работает в зеленом листе.
Многие гипотезы, часто весьма противоречивые, возникают, и когда речь идет о механизмах переноса электрона от хлорофилла к его последующим «потребителям», о так называемой электроно-транспортной цепи.
Кроме того, — и это может быть самая впечатляющая неясность — нет прямых доказательств того, каким образом при фотосинтезе выделяется кислород. Считается, что это «отход», получающийся при разложении воды агрессивным хлорофиллом, но, быть может, это вовсе и не так, а кислород возникает при реакции хлорофилла с другим, как говорят специалисты, «донором» — углекислотой. И наконец, некоторые вещества, полноправно работающие на своих местах в ЭТЦ, пока еще никто не видел, конкретные кандидаты на эти места лишь предполагаются. Словом, снова перед нами бездонная проблема…
Есть несколько важных разделов в теории фотосинтеза, относящихся к этой теории только каким-то одним своим «боком»: например, проблема фосфорилирования. Не упомянуть о ней, говоря о фотосинтезе, никак нельзя. Слишком уж драматическая это область биологии.
Известно, что универсальной энергетической валютой в живой клетке служит АТФ, что кислота эта накопляет энергию, хранит ее и, легко расщепляясь, отдает по мере надобности. Известно, что происходит это на мембранах митохондрий или хлоропластов клетки. А вот процесс фосфорилирования, процесс образования АТФ, во многом еще неясен.
А это интересует тех, кто занимается фотосинтезом, так же, как и исследователей животных тканей, потому что откуда бы ни была приобретена энергия клеткой, процедура ее усвоения заканчивается образованием АТФ. И вот создаются гипотезы: химические, механохимические и хемиосмотические. Как ни странно, все они пока подтверждаются опытом, и даже создается впечатление, что каждая из них отражает какую-то сторону действительных событий, что они вовсе не противоречат, а дополняют одна другую.
Однако сторонники каждой из гипотез ищут факты, работающие «на них». Наиболее уверенно чувствует себя хемиосмотическая теория Митчелла, утверждающая, что для образования клеткой АТФ на мембране должна возникнуть разность электрических зарядов, или разность концентрации ионов водорода по разные стороны мембраны.
Как видим, мы на распутье чужих раздумий, раздумий тысяч людей, кому не дает покоя вся эта фотосинтетическая история. В раздумьях этих задается много вопросов, на которые ответа ждать пока не приходится. Или таких, ответы на которые, казалось бы, уже есть. Но вопросы все равно надо задавать. Иначе не отыщешь того ответа, который нужен. Не докопаешься до истины. Приходится повторять и проверять даже всеми признанные утверждения до тех пор, пока они не станут очевидными или окажутся неверными. Но тому, кто наблюдает за этим процессом со стороны, может показаться, что Свифт был не так уж неправ в своем сарказме. Может быть, истина не глубже, а где-то в другой стороне?
Автор: С. Самсонов, кандидат биологических наук.