Галобактерії та фотосинтез
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Останнім часом вчених зацікавили галобактерії, любителі іржавого оселедця. Вони поселяються на солоній рибі, живуть в дуже солоних морських басейнах і озерах і навіть в Мертвому морі. Ці істоти-клітини, вихідці з дуже солоного світу, вразили дослідників оригінальністю пристрою. Все в них було не так, як в звичному житті, і це не дивно, так як розквітають вони в середовищі, в якому іншу живність можна лише законсервувати. Але серед всіх дивностей галобактерій самим цінним виявилося відкриття, що внутрішні перегородки-мембрани цих клітин містять єдиний білок, та ще схожий на той, що є в паличках (!) нашого ока. Тут потрібне пояснення.
По-перше, дослідників вразила близька спорідненість, що виявилася між білками таких далеких по організації, обов’язкам живих тілець, що до того ж стоять на різних кінцях еволюційної драбини. Крім того, що це підтверджує ненову, але дуже важливу думку про якесь кінцеве число основних цеглинок природи, тут же мимоволі думається, що і в діяльності мембран галобактерій і очної сітківки є хоч що-небудь загальне.
По-друге, перед ними виявився спрощений донезмоги варіант вже знайомих нам універсалів внутрішньоклітинної діяльності — мембран. Біологи звикли мати справу з організацією неймовірної складності — буквально набиту білками, а тут раптом свята простота.
Завдання родопсину ока було відоме – дати сигнал: «бачу світло». Так що ж за «око» виявилося у галобактерій і навіщо їм бачити світло?
Галобактеріями займаються зараз багато лабораторій – Е. Рекера в США, К. Мак-Клера в Англії, У. Стохеніус і Д. Естерхельд публікували свої роботи на цю тему. Спільними зусиллями вчених було з’ясовано, що двійник родопсину в цих бактерій, або, як його тепер називають, бактериородопсин, теж реагує на світло — він його поглинає, щоб переробити в хімічну енергію і запасти в клітині.
Іншими словами, це найпростіший варіант фотосинтезу. Що це так, з’ясувалося порівняно недавно. Раніше ніхто не знав, яку роль відіграють загадкові фіолетові мембрани галобактерій. Потім виникла гіпотеза. Вона народилася у дослідників, що займаються енергетикою клітини, тих з них, що дотримуються хеміоосмотичної теорії Мітчелла, — думка, що у фіолетових мембранах бактеріородопсин служить генератором, переносить заряди з одного боку мембрани на іншу. А береться енергія зі світла, їм же і поглинається.
Зараз ця думка повністю підтверджена досвідом. Експерименти велися в лабораторії Е. Рекера в США. Самі по собі експерименти можна було б демонструвати публічно, як одне з чудес сучасної науки. Там досліджувалися мікропухирці з фосфоліпідів, начинені мембранами з бактеріородопсином. Спочатку вдалося довести, що такі бульбашки дійсно поглинають протони. Це зробив Рэкер. Потім вчені пішли ще далі: встановили, що дійсно утворюється градієнт концентрації і одночасно з ним електричне поле. Вдалося навіть прямо виміряти різницю електричних потенціалів. І нарешті, в досліді Рекера і Стохеніуса були поставлені всі крапки над «і», в пухирці додали АТФ-синтетазу і спостерігали при опроміненні синтез АТФ.
Отже, це фотосинтез, але без хлорофілу і без довгого ланцюга перенесення електрона, що включає в себе десяток білків.
Навіщо знадобилося возитися з галобактеріями настільки наполегливо, ймовірно, вже зрозуміло до деякої міри з самої розповіді про хід подій. Вдалося отримати переконливе свідчення справедливості згаданої вище хеміосмотичної теорії, її основного постулату, що зовнішня енергія, надходячи в клітину, перетворюється в енергію електричного поля. Це обіцяє надію, що в проблемі фосфорилювання настане якась ясність. Крім того, саме по собі відкриття в природі абсолютно нового типу перетворення енергії — достатня сенсація.
Але це ще не все. Як завжди, відкриття родило або відродило нові проблеми. Наприклад, таку: навіщо ж природа, винайшовши прямий і нескладний шлях вживання сонячної енергії — галобактерії, потім звернулася до обхідних, до електронно-транспортного ланцюга і хлорофілу. Умоглядні припущення можна робити вже зараз: ймовірно, гало бактерії – шлях побічний, окрема стежка еволюції. Згорнути на неї з основної дороги, по якій вже рухалися групи організмів — попередників нинішнього рослинного світу, природа не змогла. До того ж нинішній “ланцюжок” більш ефективний, вигідний, гнучкий і т. д. Впевнена ж відповідь на це питання відкриє дослідникам ще деякі з прихованих поки механізмів в складній машині фотосинтезу.
Автор: С. Самсонов, кандидат біологічних наук.