Андрей Рубин: Для того чтобы точно на это ответить, надо действительно подвести чёткий баланс. Я думаю, что, может быть, если говорить о судьбе одного 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 подлежит сомнению. Другое дело и принципиальное достижение, в том числе и наше отечественное, что весь кислород, который получается в ходе фотосинтеза, он из воды. Вот это сейчас не оспаривается. Но, по-видимому, есть другие источники. Однако здесь речь пойдёт о механизмах фотосинтеза.
А.Г. Раз мы говорим с вами о таком феномене как фотосинтез – он для меня до сих пор непостижимым. Каким образом произошло так, что свет стал источником питания и жизни всего существующего сегодня на Земле? Ведь были же и другие эпохи.
А.Р. Вопрос очень серьёзный и принципиальный. Я бы даже, может быть, в качестве введения что ли, сказал несколько слов.
При всем эволюционном различии положений разных организмов, начиная от амёбы до человека, между ними существует колоссальная разница. Биохимические основы, кирпичики живого – аминокислоты, нуклеотиды, всё то, что нам даёт биохимия, в общем, одинаковы. Вот это принципиальная была трудность в понимании эволюционного развития. Почему усложняется организация без усложнения отдельных составных кирпичиков? Ответ на этот вопрос был дан и был дан экспериментально, как ни странно. Когда было показано, что можно взять неорганические соединения – воду, CO-2, аммиак, поместить их, скажем, в кварцевую пробирку, облучить ультрафиолетом, провести электрический разряд, пропустить ещё что-нибудь, дать энергию и в настоящее время нет вообще никаких препятствий к получению любых кирпичиков живого. Даже сложные сахара получаются, нуклеотиды отдельные. Это, возвращаясь к вашему вопросу, о том, что на заре эволюции, в основном, не исключительно, но в основном за счёт энергии света, ультрафиолета, был осуществлён, как мы говорим, абиогенный синтез вот этих кирпичиков живого.
Возникшая жизнь питалась всеми этими готовыми веществами. Она была деторатрофна, и всё было хорошо и прекрасно до тех пор, пока всё не съели, грубо говоря. Дальше что делать? Либо умирать, либо тратить новые источники энергии. И тогда возник фотосинтез. И я, когда будут картинки, покажу, какие особенности 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, получается фотосинтез. И продукты фотосинтеза – это сахара, углеводы, различные другие вещества, то, чем, собственно, мы питаемся и едим.
Первый рисунок показывает схематично, как фотосинтез идёт в листе. На самом деле, процесс состоит из отдельных этапов. Вдумайтесь в это. Каждый этап отличается по характерным временам на много порядков. Растение за счёт фотосинтеза живёт и развивается дни, годы, в зависимости от того, какое растение. АП начальный этап – аминоэнергия света – происходит за время, вдумайтесь, порядка десять в минус двенадцатой, сейчас даже говорят в десять в минус пятнадцатой секунды. Физиков не удивишь такими короткими временами, удивительно то, что это происходит в биологической системе и уже на этом коротком промежутке времени возникают биологически осмысленные процессы. То есть, это не просто некая физика, которая скрыта от всякой биологии. Я постараюсь показать, насколько это всё завязано в целом.
Итак, десять в минус двенадцатой секунды, и получаются продукты фотосинтеза: фиксация СО-2, восстановление СО-2, появление сахаров, углеводов, ну и дальше, так сказать, пошло и поехало. Идёт рост растения. Так вот секрет фотосинтеза, как процесса запасания энергии света (в этом отличного от других биохимических процессов) заключается на этих самых ранних этапах. И я постараюсь показать, как это получается, почему это важно не только для фотосинтеза, но и вообще для современного понимания того, что происходит в биологических белковых машинах. И потом постараюсь показать, как это можно применить на практике, буквально с сегодняшнего дня, даже в городском хозяйстве, например.
А.Г. Фотосинтетические батареи?
А.Р. Это один из этапов. Диагностика с помощью фотосинтеза 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 понимаю, 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 понимание того, что мы не можем двигаться дальше, не понимая принципов работы этих машин. А для того чтобы понять принципы работы машин, машин в кавычки пока можно взять, это значит, что мы должны не только понимать результат начальный и конечный. Мы должны понимать, что происходит внутри.
Вот тривиальный пример: можно выбрать машину, допустим, по прочности, по скорости, по расходу бензина. Этого вам достаточно, чтобы сделать выбор, но вы ещё не можете понять, что происходит внутри. Почему одна лучше другой? Вы не поймёте это, если вы не понимаете, что там происходит внутри. Вот мы сейчас на этом этапе. Протеномика – наука о функциональности, функционировании белков, как составной части клетки, всё это связано с проникновением внутрь машины. И работы по фотосинтезу реакционных центров ведутся уже давно. Слава Богу, уже много десятков лет насчитывает история фотосинтеза. Поэтому, как мне кажется, работа фотосинтеза выходит за рамки чисто фотосинтетических интересов. Здесь можно влезть внутрь.
Давайте следующий рисунок покажем. Вот, что происходит. Поглощается квант света, есть реакционные центры, энергия возбуждения. Дальше используется при фотосинтезе синтез органических веществ. Так вот форма использования энергии света – это организация электронного потока. Это значит, что вроде как запускают за счёт энергии света поток электронов. И это происходит очень быстро. Возвращаясь к вашему вопросу, который вы задали вначале – как свет пришёл на помощь второй раз. Оказалось что хлорофилл, ароматические соединения были уже давно синтезированы, ими пользовались. Но дальше необходимо было обеспечить поглощение света, возбуждение электронное и использование энергии света в фотосинтезе. Так вот, если вы возьмёте хлорофилл, выделите в раствор, дадите ему электронное возбуждение, он поглотит квант света, и через пять на десять в минус девятой секунды энергия будет либо излучена в виде флуоресценции, либо дисипирует тепло. Так или иначе, за пять в десять минус девятой секунды энергия будет потеряна полностью. Если вы хлорофилл поместите в лист и захотите использовать эту энергию с большой эффективностью, то это нужно делать намного скорее, чем в естественное время, за которое пройдёт естественная потеря энергии. Вот почему начальный этап фотосинтеза – разделение зарядов, отрыв электрона, который потом добежит до СО2 – это девять в минус двенадцатой, минус тринадцатой секунды.
А.Г. То есть, надо успеть.
А.Р. Надо успеть, потому что иначе всё у вас, так сказать, оторвут. А дальше необходимо что сделать? Побежал электрон быстро, но дальше ведь его должны подхватить ферментные системы, которые, слава Богу, в эволюции уже существовали. Они работают намного медленнее. Времена у них десять в минус второй, в минус третьей секунды. И эти десять порядков надо замедлить. Вот почему электронный поток осуществляется 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 говорить. Идёт через ряд переносчиков, пластохинон мигрирует 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 трансмембранный потенциал. Водород переносится с одной стороны мембраны на другую, получается разность потенциалов, такая электрическая батарейка заряжается. И она используется на синтез АТФ, который, как мы все хорошо знаем, это энергетическая валюта и используется во всех процессах жизнедеятельности.
