соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет

зеленую окраску пигмента.

Теперь в ту же пробирку добавим небольшое количест­во ацетата меди или

ацета­та цинка и подогреем содер­жимое пробирки на спир­товке. Едва жидкость

заки­пит, окраска раствора резко изменится — вместо оливково-бурой она вновь

станет изум­рудно-зеленой. Что же при этом произошло? В молекуле хлорофилла

на место атома магния при взаимодействии с соляной кислотой встал водород. В

свою очередь, атомы водорода при добав­лении ацетата меди или аце­тата цинка

и нагревании вы­тесняются атомами меди или цинка. Происходит восстанов­ление

металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска хлорофилла

опреде­ляется наличием в нем ато­ма металла вне зависимости от того, будет ли

это маг­ний, медь или цинк.

4. Красный цвет — символ созидания

Если солнечный спектр, кото­рый мы наблюдаем в спект­роскопе, спроектировать

на экран, то можно изучать ско­рость фотосинтеза в разных лучах — синих,

желтых, зеле­ных, красных.

Впервые интенсивность фо­тосинтеза в различных лучах спектра исследовал

физик В. Добени. В 1836 году он сделал очень важное откры­тие: зеленый лист

может осу­ществлять фотосинтез в от­дельных лучах спектра, причем в

зависимости от харак­тера лучей он идет с неоди­наковой скоростью. Но вот на

вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее

интенсив­но, В. Добени ответил не­правильно. И виной тому ме­тодические

погрешности при проведении эксперимента. Во-первых, ученый получал те или

иные лучи, пропуская солнечный свет через цвет­ные стекла или окрашенные

растворы. Во-вторых, он при­менял очень примитивный ме­тод учета

интенсивности фото­синтеза. Ученый поместил отрезок побега водного

расте­ния элодеи в пробирку с во­дой срезом вверх и считал, сколько пузырьков

кислорода отрывается с поверхности сре­за за единицу времени. Добени пришел к

выводу, что интен­сивность фотосинтеза пропор­циональна яркости света, а

наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Этой же точки зрения

при­держивались Джон Дрепер (1811—1882) и физиологи рас­тений Ю. Сакс и В.

Пфеффер. В 1846 году Дрепер изучал интенсивность фото­синтеза в различных

лучах спектра, испускаемых спектро­скопом, и пришел к тому же заключению, что

и Добени.

Между тем утверждение противоречило закону сохра­нения энергии. Ведь желтые

лучи, как мы уже знаем, незначительно поглощаются хлорофиллом. Могут ли они

быть главной движущей силой процесса фотосинтеза?

Такова была обстановка в области изучения фотосинте­за, когда к исследованиям

в этой области приступил К. А. Тимирязев. Будучи пос­ледовательным

материалис­том, он утверждал, что яркость лучей зависит от субъектив­ного

восприятия света глазом (синие лучи кажутся нам неяркими, а желтые наоборот)

и потому не может опреде­лять интенсивность усвоения углекислого газа

зелеными растениями. Наиболее дея­тельными в процессе фото­синтеза могут быть

только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом. Главной причи­ной ошибки

Дрепера он счи­тал недостаточную чистоту отдельных участков спектра,

возникшую из-за широко открытой щели спектроскопа. Увеличивать же щель

спект­роскопа приходилось для уси­ления интенсивности светово­го потока,

иначе фотосинтез с помощью примитивных ме­тодов не обнаруживался. Для того

чтобы иметь возможность работать с узкой щелью спектроскопа, необходимо

бы­ло создать принципиально новые, значительно более чувствительные

методы учета скорости этого процесса. Сконструированные К. А. Ти­мирязевым

приборы позволя­ли резко повысить точность исследований. В восьмидесятых

годах прошлого столетия химик Пьер Эжен Марсель Вертело говорил К. А.

Тими­рязеву, что каждый раз он привозит в Париж новый ме­тод анализа газов, в

тысячу раз более усовершенствован­ный. С помощью этой аппара­туры К. А.

Тимирязев убеди­тельно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в

красных лучах спектра, кото­рые, как уже отмечалось, ин­тенсивнее других

поглощаются хлорофиллом. По направле­нию к зеленой части спектра

интенсивность фотосинтеза ос­лабевает. В зеленых лучах она минимальная. И это

вполне понятно: ведь они хлорофил­лом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой

части наблюдается новый подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом,

Тимирязев установил, что максимум усвоения листом углекислого газа

совпадает с максимумом поглощения света хлорофил­лом. Иными словами, он

впер­вые экспериментально дока­зал, что закон сохранения энергии справедлив и

по отно­шению к фотосинтезу. Зеле­ный цвет растений отнюдь не случаен. В

процессе эволюции они приспособились к погло­щению именно тех лучей

сол­нечного спектра, энергия кото­рых наиболее полно использу­ется в ходе

фотосинтеза.

Современная наука под­твердила правильность взгля­дов К. А. Тимирязева

относи­тельно исключительной важ­ности для фотосинтеза именно красных лучей

солнечного спектра. Оказалось, что коэф­фициент использования крас­ного света

в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются

хлорофиллом.

Красные лучи, по представ­лениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую

роль в процессе мироздания и созидания жизни. В статье-притче «Красное

знамя», написанной им в июне 1917 года, читаем: «Если красный цвет

является факти­ческим признаком, выраже­нием работоспособности света в

творческом процессе созида­ния жизни, то не следует ли признать его самой

подходя­щей эмблемой, выражением работоспособности света зна­ния, света

науки?». Интересно в связи с этим отметить, что в государстве древних инков

Тауантинсуйю красный цвет почитался свя­щенным.

5. О чем поведали меченые атомы!

Американский ученый Мэлвин Кальвин для изучения темно­вых реакций

фотосинтеза, связанных с фиксацией и превращением углекислого га­за, широко

использовал метод меченых атомов.

Вещества, имеющие ра­диоактивную метку, по хими­ческим свойствам

практически не отличаются от обычных. Однако наличие радиоактив­ного атома

позволяет про­следить за судьбой молекулы, ее превращениями в другие

соединения, ведь излучение, испускаемое меткой в ходе распада, может быть

легко измерено с помощью при­боров. М. Кальвин при изучении реакций

фотосинтеза исполь­зовал также метод хроматографического разделения сме­си

соединений. Если каплю раствора, содержащего смесь разных молекул, нанести на

хроматографическую бумагу, а конец ее поместить в соот­ветствующий

растворитель, то вещества придут в движение и каждое займет особую зо­ну на

хроматограмме. С по­мощью приборов легко можно найти места расположения

радиоактивных соединений, перевести их в раствор и определить химическую

при­роду. С помощью этого метода удалось выяснить, какие ве­щества и в какой

последо­вательности образуются в зе­леном листе на свету после введения

меченого углекисло­го газа.

М. Кальвин избрал в каче­стве объекта исследования зе­леную водоросль

хлореллу. После кратковременного осве­щения в присутствии радио­активного

углекислого газа ее быстро убивали (фиксирова­ли) горячим спиртом, чтобы

приостановить протекающие в ней реакции. Затем спиртовую вытяжку

концентрировали, разделяли на хроматограмме и проводили анализ на содер­жание

различных радиоактив­ных соединений.

Достаточно пяти секунд пре­бывания в атмосфере углекис­лого газа, чтобы

меченый углерод этого соединения ока­зывался в трехуглеродном ор­ганическом

веществе под на­званием фосфоглицериновая кислота. Как оно образова­лось?

Кальвин предположил, что углекислый газ присоеди­няется к некоему

пятиуглерод­ному соединению. В результа­те возникает шестиуглеродное

соединение, которое по причи­не своей нестойкости на хроматограммах не

обнаружи­вается. Оно, едва возникнув, тотчас же распадается на две молекулы

фосфоглицериновой кислоты.

Предположение М. Кальви­на подтвердилось — углекис­лый газ действительно

присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат.

Работы М Кальвина по выяснению сущности темпо­вых реакций фотосинтеза —

крупнейшее достижение со­временной физиологии расте­ний. В 1961 году он был

удостоен Нобелевской премии.

6. Зеленая электростанция

Существует еще один путь использования человеком сол­нечной энергии,

усвоенной растениями, — непосредствен­ная трансформация световой энергии в

электрическую.

Выше мы проследили путь возбужденного квантом света электрона в ходе

фотосинте­за. В настоящее время он изучен довольно детально. Именно

способность хлоро­филла под действием света отдавать и присоединять

электроны лежит в основе работы генераторов, содержа­щих хлорофилл.

М. Кальвин, работы которо­го мы уже неоднократно упо­минали, в 1972 году

выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источ­ника

электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать

элек­троны от каких-то определен­ных веществ и передавать их другим. Кальвин

использовал в качестве проводника, контак­тирующего с хлорофиллом, оксид

цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью

0,1 микроампера на квадрат­ный сантиметр. Этот фото­элемент функционировал

срав­нительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял спо­собность отдавать

электроны.

Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный

источник электронов — гидро­хинон. В новой системе зеле­ный пигмент отдавал

не толь­ко свои, но и электроны гид­рохинона. Расчеты показы­вают, что такой

фотоэлемент площадью 10 квадратных мет­ров может обладать мощ­ностью около

киловатта.

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал

хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзистор­ный приемник, к

которому бы­ла присоединена солнечная ба­тарейка, успешно работал. Кроме

того, в Японии прово­дятся исследования по пре­образованию солнечной энер­гии

в электрическую с по­мощью цианобактерий, выра­щенных в питательной среде.

Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из окси­да цинка и вместе с

противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если те­перь бактерии

осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок

из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских

пустынь. Его назвали бактериородопсином. Это вещество представляет собой

белок, соединенный с каротиноидом (о каротиноидах мы поговорим ниже)

ретиналем, состоящим из 20 уг­леродных атомов. Он похож на родопсин — пигмент

сет­чатки глаза позвоночных жи­вотных, что и определило его название.

Белковая часть ро­допсина представлена полипептидной цепью умеренной длины,

состоящей из 248 ами­нокислотных остатков, после­довательность расположения

которых в молекуле выяснена учеными. Большой вклад в исследование структуры

бактериородопсина внесли совет­ские ученые, работавшие под руководством

академика Ю. А. Овчинникова.

В конце 1973 года в АН СССР был разработан проект сравнительного изучения

жи­вотного и бактериального пиг­ментов, получивший название «Родопсин». В

1978 году жур­нал «Биоорганическая химия» опубликовал статью, в кото­рой

излагалась последова­тельность расположения ами­нокислот в молекуле

бактериородопсина. Лишь через год подобная работа была завер­шена в США под

руковод­ством известного биохимика Г. Кораны.

Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий

при недостатке кислорода. Де­фицит же кислорода в водое­мах возникает в

случае ин­тенсивного развития галобак­терий. С помощью бактериородопсина

бактерии усваи­вают энергию Солнца, ком­пенсируя тем самым возник­ший в

результате прекраще­ния дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин можно вы­делить из галобактерий, помес­тив эти соелюбивые

созда­ния, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе поваренной соли,

в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при этом их содержимое

смешивается с окружающей средой. И толь­ко мембраны, содержащие

бак­териородопсин, не разрушают­ся из-за прочной «упаковки» молекул пигмента,

которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, уче­ные назвали

их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объедине­ны в

триады, а триады — в правильные шестиугольники.

Поскольку бляшки значи­тельно крупнее всех других компонентов галобактерий,

их нетрудно выделить путем цен­трифугирования. После про­мывки центрифугата

получа­ется пастообразная масса фи­олетового цвета. На 75 % она состоит из

бакте­риородопсина и на 25 — из фосфолипидов, заполняющих промежутки между

белковыми молекулами. Фосфолипиды — это молекулы жиров в соеди­нении с

остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6