|
США: жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца
|
|
|
|
Как растения производят кислород? Задачка для школьного учебника, как кажется. Если вы думаете, что механизм фотосинтеза объяснён в полной мере, то вы ошибаетесь. Оказывается, природа ещё хранит в тайне самый ответственный момент в этом многоступенчатом процессе.
|
|
|
|
Разгадать этот секрет пытаются биохимики из американской национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).
|
|
|
|
"Комплекс марганца произвел весь кислород, от которого зависят сегодняшние формы жизни, – говорит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программу исследования уникального биологического механизма под названием "выпускающий кислород комплекс" (oxygen-evolving complex – OEC). – Это изменило курс развития всей жизни".
|
|
|
|
Учёный подразумевает, что два с половиной миллиарда лет назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то наткнулись на способ разрушать воду на молекулы кислорода и водород, и кислород впервые начал накапливаться в атмосфере.
|
|
|
|
Удивительно. За прошедшие миллиарды лет жизнь претерпела сложнейшую эволюцию – только сердцевина процесса фотосинтеза осталась абсолютно неизменной – всего несколько па из сложного танца ионов, фотонов и электронов – средоточие проблемы существования жизни на планете.
|
|
|
|
Что же это за комплекс OEC? Тут нам придётся совершить мини-путешествие, подобное тому, что выпало на долю сказочного героя, который искал смерть Кощея.
|
|
|
|
Итак, мы имеем зелёный лист, внутри которого есть клетки, внутри которых содержатся органоиды по имени хлоропласты. Наличие аккумулирующего световую энергию хлорофилла опустим для простоты. Мы идём ещё глубже.
|
|
|
|
У хлоропластов есть так называемые тилакоидные мембраны.
|
|
|
|
На этих мембранах закреплены огромные группы сложных белков. Таких групп две – "фотосистема I" и "фотосистема II" (PSI и PSII). А в недрах PSII находится комплекс OEC, без которого фотосинтез был бы невозможен – это своего рода игла, до которой современные биологи так и не добрались.
|
|
|
|
Что же эта игла делает? Она раскалывает воду на молекулы кислорода, ионы водорода и свободные электроны, используя энергию света.
|
|
|
|
Тут-то мы и подходим к острию исследований фотосинтеза – как именно OEC проворачивает свой фокус и как собственно этот комплекс выглядит.
|
|
|
|
Известно уже немало. Например, состав комплекса – в его основе лежат четыре иона марганца, один ион кальция, и несколько атомов кислорода (не тех, что мы будем "создавать", разлагая воду, а внутренних, неразменных).
|
|
|
|
Но, увы, их взаимное расположение, как и детали взаимодействия со светом и водой – пока не поддались открывателям ларцов и прочих уток.
|
|
|
|
Какие только методы здесь ни применяли (и применяют) – и различные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу других способов заглянуть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.
|
|
|
|
Зато уже удалось узнать, что создание молекулы кислорода идёт в несколько шагов. При этом OEC действует, как конденсатор – поэтапно накапливает заряд, чтобы потом одним скачком разрядиться и направить эту энергию для синтеза кислорода.
|
|
|
|
|
|
У комплекса существует пять состояний – от S0 до S4. В S0 два из четырёх ионов марганца имеют положительный заряд в четыре единицы (это ионы MnIV), в то время как другие два иона имеют заряд плюс три (MnIII) и плюс два (MnII) соответственно.
|
|
|
|
Первые три шага (от S0 до S3) – это последовательный захват квантов света с освобождением электронов, в результате чего комплекс превращается уже в набор одного MnIII и трёх MnIV (плюс, конечно, кислород и кальций).
|
|
|
|
При этом один из атомов кислорода, из состава комплекса, также теряет электрон.
|
|
|
|
Что дальше – неизвестно. Ясно только, что происходит ещё два шага – S3-S4 и возврат: S4-S0. В результате чего комплекс перепрыгивает в исходное состояние, а вода, попадающая в пределы фотосистемы II, разлагается на нейтральный кислород и ион водорода.
|
|
|
|
Высвобождённые в течение всех этих шагов электроны транспортируются в соседнюю белковую систему PSI, где участвуют в длинной цепочке биохимических реакций, приводящих к усвоению углерода и росту растения.
|
|
|
|
Как именно комплекс раскалывает воду и формирует связь двух атомов кислорода – пока тайна.
|
|
|
|
Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её весьма любопытным образом.
|
|
|
|
Сначала они идут в супермаркет и покупают пакеты со свежим шпинатом.
|
|
|
|
Растение размалывают в жидкую кашицу, разбавляют и помещают раствор в установку.
|
|
|
|
Оказывается, даже в таком виде, когда структура растения фактически разрушена до основания, молекулярные комплексы OEC ещё "живут" и сохраняют способность к синтезу кислорода из воды.
|
|
|
|
В установке царит непроглядная тьма. Но вот учёные дают короткий импульс лазерного света. Группа атомов OEC перескакивает из нулевого состояния в первое. Но вот дальше происходит заминка – новых порций фотонов-то нет.
|
|
|
|
Тогда исследователи замораживают раствор и помещают его в установку магнитного резонанса или установку рентгеновской кристаллографии.
|
|
|
|
Затем, записав результат опыта, учёные снова возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера – для перевода системы в следующее состояние. И так далее.
|
|
|
|
Комбинируя все возможные данные, экспериментаторы составляют карты электронной плотности – и пытаются понять взаимное положение атомов в комплексе и их взаимодействие.
|
|
|
|
Как уже говорилось выше, различным группам исследователей это частично удалось, но все пока споткнулись на состоянии S3. Образно говоря, в нашей иголке, что хранилась в утином яйце, удалось разглядеть ушко и даже среднюю часть, а самое-самое остриё по-прежнему не видно.
|
|
|
|
Вот незадача – даже пространственная структура OEC сейчас существует лишь в виде гипотетических вариантов. Для того, чтобы разглядеть остриё иглы существующим методам кристаллографии, не хватает разрешающей способности. Нужно поднять её ещё немного.
|
|
|
|
Именно этот последний и самый трудный шаг пытаются сделать в Беркли. Учёные говорят, что близки к разгадке, как никогда ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.
|
|
|
|
Вот тогда можно будет свысока смотреть на все предыдущие эксперименты с фотосинтезом, а заодно – с созданием разнообразных фотоэлектрических панелей.
|
|
|
|
Ведь в руках у человечества окажется сокровенная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.
|
|
|
|
И производство водорода (для использования в качестве топлива) из воды станет лёгким, и можно будет создавать искусственные деревья, не только поглощающие парниковые газы, но и вырабатывающие живительный кислород.
|
|
|
|
Насколько это может кардинально изменить развитие цивилизации, её взаимоотношения с природой – страшно даже представить.
|
|
|
|
Удивительно, что речь идёт всего-то о нахождении взаимного расположения и механизме взаимодействия нескольких атомов в комплексе OEC – фактически – в единственной молекуле с химической формулой Mn4O4Ca.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аккумулятор Новостей, 09:12 28.07.2004
|
|
Источник: Мembrana
|
|
|
