Галобактерии и фотосинтез

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В последнее время ученых заинтересовали галобактерии, любители ржавой селедки. Они поселяются на соленой рыбе, живут в очень соленых морских бассейнах и озерах и даже в Мертвом море. Эти существа-клетки, выходцы из очень соленого мира, поразили исследователей оригинальностью устройства. Все в них было не так, как в привычной жизни, и это неудивительно, так как расцветают они в среде, в которой прочую живность можно лишь законсервировать. Но среди всех необычностей галобактерий самым ценным оказалось открытие, что внутренние перегородки-мембраны этих клеток содержат единственный белок, да еще похожий на тот, что имеется в палочках (!) нашего глаза. Тут требуется объяснение.

Во-первых, исследователей поразило близкое родство, обнаружившееся между белками таких далеких по организации, обязанностям живых телец, к тому же стоящих на разных концах эволюционной лестницы. Помимо того, что это подтверждает неновую, но очень важную мысль о некоем конечном числе основных кирпичиков природы, тут же невольно думается, что и в деятельности мембран галобактерий и глазной сетчатки есть хоть что-нибудь общее.

Во-вторых, перед ними оказался упрощенный донельзя вариант уже знакомых нам универсалов внутриклеточной деятельности — мембран. Биологи привыкли иметь дело с организацией невообразимой сложности — буквально напичканной белками, а тут вдруг святая простота.

Задача родопсина глаза была известна — дать сигнал: «вижу свет». Так что же за «глаза» обнаружились у галобактерий и зачем им видеть свет?

Галобактериями занимаются сейчас многие лаборатории — Э. Рэкера в США, К. Мак-Клэра в Англии, У. Стохениус и Д. Эстерхельд публиковали свои работы на эту тему. Совместными усилиями ученых было выяснено, что двойник родопсина в этих бактериях, или, как его теперь называют, бактериородопсин, тоже реагирует на свет — он его поглощает, чтобы переработать в химическую энергию и запасти в клетке.

Другими словами, это простейший вариант фотосинтеза. Что это так, выяснилось сравнительно недавно. Раньше никто не знал, какую роль играют загадочные фиолетовые мембраны галобактерий. Потом возникла гипотеза. Она родилась у исследователей, занимающихся энергетикой клетки, тех из них, что придерживаются хемиосмотической теории Митчелла, — мысль, что в фиолетовых мембранах бактериородопсин служит генератором, переносит заряды с одной стороны мембраны на другую. А берется энергия из света, им же и поглощаемого.

Сейчас эта мысль полностью подтверждена опытом. Эксперименты велись в лаборатории Э. Рэкера в США. Сами по себе эксперименты можно было бы демонстрировать публично, как одно из чудес современной науки. Там исследовались микропузырьки из фосфолипидов, начиненные мембранами с бактериородопсином. Сначала удалось доказать, что такие пузырьки действительно поглощают протоны. Это сделал Рэкер. Затем ученые пошли еще дальше: установили, что действительно образуется градиент концентрации и одновременно с ним электрическое поле. Удалось даже прямо измерить разность электрических потенциалов. И наконец, в опыте Рэкера и Стохениуса были поставлены все точки над «і», в пузырьки добавили АТФ-синтетазу и наблюдали при облучении синтез АТФ.

Итак, это фотосинтез, но без хлорофилла и без длинной цепи переноса электрона, включающей в себя десяток белков.

Зачем понадобилось возиться с галобактериями столь упорно, вероятно, уже понятно до некоторой степени из самого рассказа о ходе событий. Удалось получить убедительное свидетельство справедливости упомянутой выше хемиосмотической теории, ее основного постулата, что внешняя энергия, поступая в клетку, преобразуется в энергию электрического поля. Это сулит надежду, что в проблеме фосфорилирования наступит какая-то ясность. Кроме того, само по себе открытие в природе совершенно нового типа преобразования энергии — достаточная сенсация.

Но это еще не все. Как всегда, открытие родило или возродило новые проблемы. Например, такую: зачем же природа, изобретя прямой и несложный путь употребления солнечной энергии — галобактерии, затем обратилась к обходному, к электроно-транспортной цепи и хлорофиллу. Умозрительные предположения можно делать уже сейчас: вероятно, галобактерии — путь побочный, отдельная тропочка эволюции. Свернуть на нее с основной дороги, по которой уже двигались группы организмов — предшественников нынешнего растительного мира, природа не смогла. К тому же нынешняя «цепочка» более эффективна, выгодна, гибка и т. д. Уверенный же ответ на этот вопрос откроет исследователям еще некоторые из не скрытых пока механизмов в сложнейшей машине фотосинтеза.

Автор: С. Самсонов, кандидат биологических наук.