Блок информации. Первоисточником энергии для экосистем Земли служит Солнце

Первоисточником энергии для экосистем Земли служит Солнце. Эта энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая примерно 70, 3× 10⁵ кДж/м² в год, захватывается Землей. Около 40% отражается обратно от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли. Еще 15% поглощается атмосферой и превращается в тепловую энергию или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45% поглощается зелеными растениями или земной поверхностью. Ежегодно в процессе фотосинтеза связывается около 8× 10¹⁰ т углерода, образуется примерно 1, 8× 10¹¹ т сухой биомассы растениями суши и почти столько же растениями Мирового океана. Именно фотосинтез является исключительным источником кислорода в атмосфере Земли, только протекание его в зеленных растениях поддерживает постоянство состава атмосферы. Развитие фотосинтетического аппарата растений сделало возможным нынешнее направление эволюционного развития и стало причиной самой глобальной революции в развитии Земли: смена бескислородной (восстановительной) атмосферы Земли на кислородсодержащую (окислительную) стало причиной появления и доминирования на Земле аэробных организмов, анаэробный путь синтеза биовещества (хемосинтез) может обеспечить жизнедеятельность только отдельных микроорганизмов.

Не менее глобальным следствием появления кислородной атмосферы Земли стал выход жизни из океана на сушу: пока в атмосфере не появился озон (О₃, аллотропное соединение кислорода), жесткий ультрафиолет достигал поверхности Земли беспрепятственно и сохранял способность повреждать органические молекулы. Защитное действие озона определяется совпадением диапазона максимального поглощения (230- 290 нм) с таковым для клеток живых организмов и повреждающее действие УФ на клеточный метаболизм сводится к минимуму.

Зеленым растениям свет нужен для осуществления процесса фотосинтеза, благодаря которому энергия солнечного излучения улавливается, превращается и аккумулируется на Земле. Только связанная растениями солнечная энергия становится доступной для потребления остальными организмами.

Фотосинтез может протекать не только в растениях, но и некоторых бактериях. Бактериальный фотосинтез связан с более сильными восстановителями, чем вода (H₂S, SO₂), и может использовать ближнее ИК- излучение (до 1000 нм). Он не вносит существенного вклада в общий процесс запасания солнечной энергии, но локально может оказаться очень важен: в Черном море на многих участках количества хлорофилла и бактериохлорофилла в столбе воды вполне сравнимы.

Фотосинтез- уникальный процесс образования богатых энергией органических веществ в клетках зеленых растений под действием видимого света (400- 700 нм). Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид:

Процессы фотосинтеза пространственно и во времени можно разделить на 2 сравнительно самостоятельных процесса: световую стадию окисления воды и темновую стадию восстановления углекислого газа. Обе стадии протекают у высших растений и водорослей в специализированных органеллах клеток- хлоропластах (исключение синезеленные бактерии (цианобактерии), у которых аппарат фотосинтеза не обособлен от цитоплазматических мембран).

Первый этап фотосинтеза- это поглощение энергии света молекулами пигментов: различных видов хлорофилла. Молекулы пигментов упакованы в мембраны тиллакоидов хлоропластов. Свет, поглощенный молекулами хлорофилла, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень. Энергия, выделяемая в световых реакциях, запасается в виде молекул АТФ, НAДФ-H₂, побочным продуктом световых реакций фотосинтеза является молекулярный кислород, свободно диффундирующий в окружающую среду. Не все фотосинтетические реакции требуют света. Серия реакций протекает без участия света- темновая стадия фотосинтеза. Темновые реакции осуществляются в жидком содержимом (строме) хлоропласта. Их результатом является восстановление двуокиси углерода через цикл промежуточных углеводородных форм до молекулы углевода- глюкозы. С использованием изотопных меток показано, что источником всего свободного кислорода является вода

Для фотосинтетических реакций растения используют только видимую часть спектра света. Причем водные и наземные растения в процессе эволюции приспособились улавливать различные излучения видимого света. Так глубоководные растения способны улавливать длинноволновую часть спектра- красный свет, растения поверхностных слоев океана улавливает коротковолновый синий свет.

Исход фотосинтеза, его продуктивность определяется условиями окружающей среды, в которых он осуществляется. Главную роль способны сыграть следующие факторы среды: уровень освещенности, температура, влажность воздуха и почвы. Немаловажную роль имеет общий уровень жизнеспособности самого растительного организма, особенности его метаболизма и морфологии.

Рассмотрим более подробно механизм фотосинтеза. Важнейшую роль играют электронно-конформационные взаимодействия (ЭКВ). Именно поэтому большая часть стадий процесса протекает практически необратимо. Можно выделить 3 основные фазы трансформации энергии: поглощение света фотосинтетическими пигментами и передача энергии на реакционные центры (РЦ) фотосинтеза; первичное разделение зарядов и трансформация энергии в РЦ; перенос электронов по электронно- транспортным цепям (ЭТЦ) и сопряженные процессы, приводящие к образованию первичных стабильных продуктов (НАДФ и АТФ), используемых в дальнейших темновых реакциях фиксации СО₂ и образования конечных продуктов фотосинтеза.

Поглощение света в листьях происходит на системе пигментов, основными из которых являются хлорофиллы a и b, различающиеся спектрами поглощения (рис. 2.8.1). Хлорофилл a служит основой 2 отдельных подсистем, способных утилизовать фотоэнергию: фотосистемы I (ФС I) и фотосистемы II (ФС II). Часть вспомогательных пигментов, спектрально близких хлорофиллу а (хлорофилл b, каротиноиды и т.д.), непосредственно окружают РЦ, образуя так называемые антенны. На одну молекулу фотоактивного хлорофилла работают несколько десятков молекул вспомогательных пигментов. Организация их в антенны позволяет максимально полно использовать энергию фотонов и перенос энергии со вспомогательных пигментов на хлорофилл РЦ подтверждается присутствием в спектре люминесценции неповрежденных зеленых клеток только линий хлорофилла а. Следует заметить, что свойства хлорофилла а зависят от того, входит он в состав РЦ или антенный набор пигментов. Фотосистемы различаются поглощаемым излучением: ФС I использует излучение с l£ 710 нм, а ФС II с l£ 680 нм. В мембранах тилакоида центры ФС I и ФС II пространственно разделены и сопряжение достигается последовательной передачей электрона в цепи различных молекул (ЭТЦ) (рис. 2.8.2).

Рис.2.8.1.

Усвоение энергии начинается с поглощения электрона в ФС II с образованием синглетно возбужденного хлорофилла а (Р680*), который передает электрон через промежуточный акцептор молекуле феофитина (безмагниевый аналог хлорофилла), образуя его анион- радикал (F). Анион- радикал служит донором электрона для связанного пластохинона (PQ), координированного с ионом Fe³⁺. Далее электрон переходит к молекуле свободного пластохинона, присутствующего в избытке по отношению к прочим компонентам цепи, затем цитохромы b₆ и f (Cyt_b/f), образующие комплекс с железосернистым центром, передают электрон через медьсодержащий белок пластоцианин (РС) к реакционному центру ФС I.

Центры Р680* быстро восстанавливаются, принимая электроны через ряд переносчиков от воды. Образование О₂ требует четырехкратного возбуждения реакционного центра и катализируется мембранным комплексом, содержащим Mn. Очевидно, что эти центры- сильные окислители.

Хлорофилл в ФС I отдает электрон через цепь переносчиков растворимому белку ферредоксину (fd), восстанавливающему с помощью фермента ферредоксин- НАДФ- редуктазы НАДФ до НАДФН. Катион- радикал Р700* восстанавливается пластоцианином. Центры ФС II- сильные восстановители.

В зрелых хлоропластах содержатся граны (стопки тиллакоидов), в мембранах которых содержится полный набор ЭТЦ, и так называемые агранальные тиллакоиды, содержащие только ФС I. Имеются различия биохимических их ролей.

Рис.2.8.2.

В общем случае перенос электронов пластохиноном порождает разность потенциалов на мембране (плюс- внутри, минус- снаружи мембраны). Следствием этого становится движение протонов снаружи тилакоида внутрь. Перенос протонов сопрягается синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Предполагают, что обратный транспорт протонов из тилакоидов в строму посредством белкового сопрягающего фактора (Н⁺- АТФ- синтетазы) также сопровождается синтезом АТФ. Центры ФС I способны работать автономно, без контакта с ФС II (пунктир на рис.2.8.2.). В этом случае вся энергия запасается в виде АТФ.

Важность присутствия в растения обоих ФС становится понятна на основании эффектов Эмерсона. Первый состоит в резком падении интенсивности фотосинтеза при l³ 700 нм (красное падение), второй состоит в неаддитивном усилении фотосинтеза при добавлении света низкой интенсивности l=650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления). Таким образом, показано существование двух отдельно организованных, но взаимосвязных ФС и инициирующая роль в фотосинтезе ФС, использующей коротковолновое излучение (ФС II, l£ 680 нм).

Из сказанного, видна прочная и взаимообусловленная связь всех участников процесса связывания солнечной энергии. Уже первые стадии (поглощение фотона с образованием возбужденных молекул) без участия следующих участников (пластохинонов), способных эффективно снять возбуждение и передающих энергию дальше в цепь, были бы практически полностью обратимыми или же, что значительно хуже, возбужденные молекулы повреждались. Белки, включенные в ЭТЦ, выполняют роль электронных насосов, причем перекачка идет не за счет движения молекул, как целого, а за счет конформационных движений внутри молекул (мгновенный заряд образуется в одной части молекулы и переходит в другую за счет изгибов и колебаний внутренних связей), присутствие в них металлов легко меняющих валентность (Fe и Cu) и облегчает подобный перенос.

Описанные процессы составляют световые стадии запасания энергии. Темновые стадии энергию потребляют: за счет АТФ и НАДФН связывается углекислый газ в глюкозу и далее, а АДФ возвращается в цикл запасания энергии.

Связывание СО₂ происходит в так называемом цикле Кальвина (рис.2.8.3). Начинается он с фосфорилированного сахара пентозы рибулозо-1, 5- дифосфата. К нему присоединяется молекула углекислого газа, а полученная молекула распадается на две молекулы 3- фосфоглицериновой кислоты. Каждая из них реагирует с молекулой АТФ, получаются две молекулы 3- фосфоглицерофосфата, которые в свою очередь реагируют с НАДФН и восстанавливаются до глицеральдегид- 3-фосфата. Образовавшийся трехуглеродный альдегид ферментативно вовлекается в цепь реакций, где из гексозы и триоз получаются три пентозы ксилулозо- 5-фосфатов. Они изомеризуются в рибулозо- 5-фосфат, который реагирует с АТФ, давая рибулозо- 1, 5-дифосфат и замыкая цикл. Таким образом на фиксацию одного углеродного атома уходит 3 молекулы АТФ и 2 НАДФН. Посчитав энергию фотонов и образованных связей, получаем к.п.д. фотосинтеза около 30%.

Глицеральдегид- 3-фосфат далее может быть превращен в глюкозо- 6-фосфат и далее превратиться в крахмал или в 3-глицерофосфат и далее в липиды.

Несмотря на формальную независимость протекания реакций световой и темновой стадий, существуют механизмы их взаимовлияния. Фермент, катализирующий стадию превращения рибулозодифосфата в фосфоглицериновую кислоту, сильно увеличивает свою активность на свету. Установлены следующие механизмы влияния:

1. НАДФН образуется в световых стадиях процесса и служит аллостерическим активатором фермента.

2. Скорость реакции растет при защелачивании среды. На свету идет перекачка протонов из стромы в полость тиллакоидов и рН стромы, где и происходит фиксация углерода.

3. Фермент активизируется в присутствии Mg²⁺. На свету ионы Mg²⁺ выбрасываются из полостей тиллакоидов в строму взамен Н⁺ по механизму антипорта.

Рис.2.8.3. Цикл Кальвина. Пояснения в тексте.

Кроме основного цикла Кальвина в тропических растениях углерод связывается по так называемому С₄-пути. Прежде чем попасть в цикл синтеза сахаров и далее, углерод накапливается в четырехуглеродных кислотных аспарагинат ([(СОО-С(NН₂)Н-СН₂-СОО)]^2-)- и малат ([(COO-C(OH)H-CH₂-COO)]^2-)- остатках. Для условий избытка солнечной энергии именно концентрация СО₂ становится лимитирующей полную скорость фотосинтеза и промежуточное связывание, даже с затратой энергии, окупается повышением общей интенсивности процесса.

Так можно описать фиксацию углерода в фотосинтезе в самом общем виде. Рассмотрим организацию процессов в связи с прочими системами, присутствующими в живых организмах.

Все компоненты фотосинтетических систем присутствуют в мембране тиллакоида (рис.2.8.4). Обозначения II и I означают соответствующие фотосистемы, интересен блок обозначенный III. Обнаружено, что он во многих деталях повторяет дыхательные цепи в дыхательных митохондриях растительных и животных клеток. В его состав входят электронтранспортные белки: цитохромы (содержат гемовые группировки) и негемовые белки, обозначаемые FeS. Цитохромы- белки очень древнего происхождения, многие из них с минимальными вариациями состава присутствуют в различных растительных и животных клетках, цитохромы с, возникнув почти 1, 5 млрд. лет назад, входят в различные эукариотические клетки, не изменившись, и реагируют в качественных реакциях абсолютно стандартно. Сходны их спектры и окислительно-восстановительные потенциалы. Таким образом видно, что выполнение сходной функции (фосфорилирование) в разных организмах обеспечивает стандартный набор качеств и состава. Кроме того, доказано что и фото- и окислительное фосфорилирование процесс запускается созданием градиента рН.

Рис.2.8.4. Размещение компонентов фотосинтетической цепи в мембране тиллакоида.

Изучение других природных фотопроцессов (зрение, фоточувствительность галофильных бактерий) показывает тоже сходство базовых комплексов с фотосинтезом. В этих процессах светочувствительность обеспечивают белки родопсин и бактериородопсин, соответственно. В молекулах выделяют две составные части: белок опсин и полиненасыщенный альдегид ретиналь. При фотовозбуждении бактериородопсина образуются несколько форм молекул и с течением времени практически все могут быть переведены в исходную, но образование одной из них, обозначаемой М₄₁₂ (по полосе поглощения), сопровождается переносом протона через мембрану и это делает процесс необратимым. Процесс включает цис- транс- изомеризацию и образование депротонированной формы молекул. Для родопсина стадии процесса в основном подобны, но одной из стадий является фотораспад на опсин и транс- ретиналь, для замыкания цикла требуется поставка ретиналя уже в форме 11- цис. Процесс зрения информационный, ретиналь уходит, но белок остается и происходит фиксация каждого фотона. Для более полной фиксации фотоэнергии все фотосистемы, кроме непосредственно фиксирующих энергию молекул, обязательно включают молекулы- сенсибилизаторы, повышающие чувствительность. У фотосинтетических систем это каротины и прочие пигменты, в фоторецепции- транс- ретиналь. Таким образом очевиден общий план организации систем со сходными функциями.

В настоящей работе Вы можете пронаблюдать самые основные закономерности процесса фотосинтеза в различных условиях окружающей среды. Произведя все необходимые наблюдения и расчеты, сделайте выводы из наблюдаемых фактов.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО III ЭТАПУ:

“Получение зачета по лабораторной работе”

Перед выполнением работы обучающийся должен изучить все методические указания, ответить на вопросы из раздела “Самоподготовка”. После выполнения II этапа необходимо оформить протокол работы и подписать у преподавателя, а затем приступить к оформлению работы в тетради. Обратите особое внимание на влияние различных параметров на интенсивность фотосинтеза. Работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы.

Лабораторная работа № 2.9.