III. Фотосинтез.

III. Фотосинтез.
Давайте «побродим» в весеннем лесу и попытаемся объяснить
встречающиеся нам явления с помощью знаний о дискретности энергии в
микромире.
В лесу по-весеннему пахнет землей, на березках появились первые
листики, и началась работа зеленых тружеников. Ни на секунду в них не
прекращается процесс, благодаря которому все живое получает кислород для
дыхания и пищи. Его название – фотосинтез. Начинается этот процесс с
поглощения молекулой хлорофилла кванта света, а оканчивается синтезом
углеводов из углекислого газа и воды:
(hv )
 С6Н12О6+6Н2О+6О2
6СО2+12Н2О E
Это уравнение только схематическое отражение сути процесса. А как он
происходит? Вопрос этот решается вот уже почти 200 лет и все еще
исчерпывающий ответ на него не получен. Например, как энергия кванта
света преобразуется в энергию того первичного вещества, которое потом
дает энергию для синтеза органических веществ? Чтобы ответить на этот
вопрос, необходимо знание физики, химии, биологии, не просто знание, а
синтез этих знаний.
Возьмем березовый листок, присмотримся к нему. Он плоский и широкий –
ему необходима максимальная поверхность как для восприятия солнечных
лучей, так и для газообмена с воздухом. Внешние клетки верхней и нижней
поверхности листа образуют бесцветный защитный слой – эпидермис или
кожицу. Его клетки тонкие, прочные, с плотными стенками – они хорошо
защищают внутреннюю мякоть листа и предохраняют ее от потери воды.
Между верхним и нижним эпидермисом находится тонкостенная клетка,
содержащая много хлорофилловых зерен, в которых есть фотосинтетические
пигменты. Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две
группы – хлорофиллы и каротиноиды. Роль этих пигментов состоит в том,
чтобы поглощать свет и превращать его энергию в химическую энергию.
Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов, и хлоропласты обычно
располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым
углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света. В
таблице (Слайд9) перечислены пигменты, характерные для различных групп
растений.
Пигменты – это химические соединения, которые поглощают видимый
свет, что приводит к переходу некоторых электронов в возбужденное
состояние, т.е. эти электроны поглощают энергию. Чем меньше длина волны,
тем выше энергия света и тем больше его способность переводить электроны
в возбужденное состояние. Такое состояние обычно неустойчиво, и вскоре
молекула возвращается в свое основное состояние (т.е. исходное
низкоэнергетическое состояние), теряя при этом энергию возбуждения. Эта
энергия может использоваться разными способами, в том числе на процесс,
обратный поглощению света и называемый флоуоресценцией. При этом
часть энергии теряется в виде тепла, поэтому излучаемый свет имеет
несколько большую длину волны (и меньшую энергию), чем поглощенный.
Это можно увидеть, если сначала осветить раствор хлорофилла, а затем
посмотреть на него в темноте.
Лист пронизан сосудисто-волокнистыми пучками, по ним уходят
продукты ассимиляции от переполненных ими клеток.
Фотосинтез происходит в зеленых пластидах – хлоропластах,
специализированных участках цитоплазмы. У высших растений они имеют
эллиптическую форму. В зависимости от освещенности листа хлоропласты
меняют свое расположение (Слайд№10), что защищает их от перегрева.
Лист имеет зеленую окраску благодаря присутствию в его клетках
хлорофилла. К группе хлорофилла относят сложные органические
соединения с атомом магния в центре молекулы (Слайд №11) ( молекулы
хлорофилла похожи на молекулы гемоглобина, только в центре их вместо
атома железа находятся атом магния). Для хлорофиллов характерно наличие
порфириного кольца. Такая же структура имеется и в других важных
биологических соединениях – в геме гемоглобина, миоглобина и
цитохромов. Порфириновое кольцо – это плоская квадратная структура,
состоящая из четырех меньших колец (I – IV), каждое из которых содержит
по одному атому азота, способному взаимодействовать с атомами металлов;
в хлорофиллах это магний, в геме – железо. В такой «голове» присоединен
длинный углеводородный «хвост» - сложноэфирная связь образуется между
спиртовой группой (- ОН) на конце фитола и карбосильной группой (СООН) на самой голове. У разных хлорофиллов разные боковые цепи, и это
несколько изменяет их спектры поглощения. Хлорофиллы поглощают
главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зеленый свет они
отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если
только ее не маскируют другие пигменты. На рисунке (Слайд№12) показаны
спектры поглощения хлорофиллов а и в и – для сравнения – спектр
каротиноидов.
Молекулы хлорофилла и «ответственны» за уникальный процесс
превращения энергии света в энергию органических веществ. Он начинается
с поглощением кванта света молекулой хлорофилла…
При изучении какого-либо процесса, активируемого светом, в частности
фотосинтеза, очень важно знать спектр действия для данного процесса –
тогда можно попытаться идентифицировать пигменты, которые в нем
участвуют. Спектр действия – это график, показывающий эффективность
стимулирующего действия света с различной длиной волны на исследуемый
процесс, в нашем случае – на фотосинтез; эту эффективность можно
оценивать, например, по образованию кислорода. Спектр поглощения – это
график, отображающий относительное поглощение света с различной длиной
волны тем или иным пигментом. Спектр действия для фотосинтеза показан
на рисунке (Слайд13), вместе с объединенным спектром поглощения всех
фотосинтетических пигментов можно обратить внимание на большое
сходство этих двух графиков: оно свидетельствует о том, что именно
пигменты, и в частности хлорофилл ответственны за поглощение света при
фотосинтезе.
Итак, солнечный свет падает на зеленый лист. Часть упавших фотонов
поглощается молекулой хлорофилла. В тот момент, когда одна молекула
хлорофилла поглотит один фотон, один из ее электронов перейдет с более
низкого энергетического уровня на более высокий. Это электрон,
получивший добавочную энергию и перешедший на более высокий
энергетический уровень, называется «возбужденным» электроном. Таких
электронов в клетке в каждый момент времени столько, сколько молекул
хлорофилла, поглотивших каждая «свой» фотон. А если бы мы сказали
«квант» вместо «фотон», не было бы здесь ошибки? Не было бы, если бы мы
написали «квант света», потому что и в первом, и во втором случае имеется в
виду видимый свет. Энергии квантов этого излучения достаточно для того,
чтобы один из электронов молекулы хлорофилла (ее порфиринового кольца)
перешел на более высокий энергетический уровень. Возбужденные
электроны долго не остаются в новом для них энергетическом состояние.
Часть их возвращается на прежний энергетический уровень, излучив при
этом полученную в результате поглощения кванта света энергию; часть
переходит к иону магния, расположенному в центре молекулы хлорофилла:
поглощение кванта света приводит к процессу обмена электронами –
химическим реакциям фотосинтеза, которые включают много звеньев. В
начале этих реакций стоят молекулы хлорофилла, назначение которых –
превратить энергию кванта света в энергию электрона, переходящего на
более высокий энергетический уровень. Весь световой день молекулы
хлорофилла «занимаются» тем , что, получив фотон, используют его
энергию, превращая ее в потенциальную энергию электрона. Их действие
можно сравнить с действием механизма, поднимающего мячик на некоторую
ступеньку лестницы. Скатываясь по ее ступенькам, мячик теряет свою
энергию, но она не исчезает – постепенно превращается… во внутреннюю
энергию образующихся в процессе фотосинтеза веществ: ведь мы под
«мячиком» подразумеваем электрон. Конечно, это грубая аналогия, но она
нам поможет понять, почему молекулы хлорофилла «трудятся» на
протяжении светового дня, только когда на них попадает видимый свет.
Ночью они «отдыхают», несмотря на то что недостатка в электромагнитных
излучениях, попадающих на листья, нет: земля сама излучает инфракрасные
лучи, да и растения в процессе своей жизнедеятельности также их излучают.
Но энергия квантов инфракрасных лучей меньше той, которая необходима
для перевода электрона порфиринового кольца молекулы хлорофилла с более
низкого энергетического уровня на более высокий. Сколько бы листья не
поглощали инфракрасные лучи, они от них только нагреются. Реакции
фотосинтеза вызываются только видимым светом. В процессе эволюции
растения приспособились аккумулировать энергию самого мощного
источника энергии на Земле – Солнца. Когда в условиях полярного дня
пробовали выращивать растения, они плохо развивались и плодоносили. Повидимому, это у растений наследственное – ночью выполнять одну работу,
днем – другую: фотосинтез состоит из световых и темновых реакций. Такое
разделение на дневную и ночную «смену» возможно благодаря квантовым
свойствам света. Если бы происходило непрерывное поглощение света
объектами микромира, то растения были бы совершенно другими…