Сонце, життя і Джонатан Свіфт – загадка фотосинтезу

Біологи стверджують, що якщо взагалі можна виділити серед наукових проблем головні, то просте голосування висуне на роль однієї з них обов’язково фотосинтез. Важко навіть перерахувати всі приватні та загальні розділи біології, з нею пов’язані. Напевно, просто немає таких, які зовсім ніякого відношення до неї не мали. Популярна проблема. Немає людини, яку вона не змушувала задуматися про себе. Бо немає такої людини, яка б не зупиняла погляд на зеленому листі і не помічала б, як він тягнеться до Сонця. Свіфтовський мудрець з Лапутії, дивлячись на зелений огірок в банці, абсолютно очевидно, розмірковував про фотосинтез. Сатирик, висміявши свого мудреця, зробив, мабуть, помилку. За що і поплатився поминанням всує його імені в популярних книгах на цю тему.

Загадкова проблема. Вона звичайна і складна. Немає нічого буденіше зеленої трави, немає дивовижніше процесу, який в ній відбувається. І для науки немає більш чітко обмеженої і більш безмежної задачі, ніж розгадка таємниці фотосинтезу.

Життя – складна штука

Термін цей означає — синтез за допомогою світла. І треба сказати — це зовсім не монополія зеленого листа. Його творять і тварині організми; вітамін D, наприклад, саме таким чином виробляється в нашому тілі. Хіміки ж запросто отримують фотосинтетичним шляхом безліч речовин. Унікальне відкриття природи, що створила зелена рослина, не в цьому: воно не просто одну речовину перетворює в іншу — Н20 і С02 в білки, жири і вуглеводи — воно при цьому здійснює з допомогою хлорофілу перетворення енергії, що постачається Сонцем, в життєву енергію, та ще й запасає її про запас. Саме цей акт запускає довгий ланцюжок подій в земному житті: потім запасеною енергією живе сама рослина, ми і всі наші земляки — від тигра до гнильної бактерії. А відходами цієї реакції — киснем — ми дихаємо.

Формула процесу фотосинтезу по частинах майже вся відтворена в пробірках. Точно встановлено або, в крайньому випадку, передбачається з великою часткою ймовірності майже все, що відбувається при цьому з точки зору хімії й фізики і квантової хімії, квантової механіки і молекулярної біології і біохімії і біофізики, і… Але чому ж так багато наук на одну-єдину просту формулу, яка до того ж демонструється нам всюди щодня природою? Зараз вона, як розхожий кулінарний рецепт, в обов’язковому меню численних лабораторій світу… але на відміну від природи готової страви лабораторії поки не приготували. Як горезвісний флогістон минулого, таємниця фотосинтезу вислизає від науки, частини не з’єднуються в ціле. Якось все віддаляється і віддаляється момент, коли сонячний промінь створить «ложечку цукру» в пробірці і ми перестанемо бути в рабській залежності від плодів, що поставляються біосферою.

Виникає природне запитання: чому? Чому, незважаючи на очевидні успіхи сучасної біології, незважаючи на те, що фотосинтезом зайняті десятки інститутів, він все ще залишається загадкою? Традиційні спільні слова у відповідь могли б бути такими: «Вирішити її не дозволяє нинішній рівень науки», або «Життя — занадто складна штука, і розгадати його таємниці непросто». Нарешті, «питання нетактовне, — скажуть нам в серцях, — наука і без того рухається в наш час дуже швидко»…

Що значить «занадто складно»?

І все-таки? Що це означає – «Занадто складно»? Спробуємо, нехай побіжно, ознайомитися з деякими областями теорії фотосинтезу. Чи не знайдуть загальні слова конкретність?

Багато книг написано, наприклад, хоча б про будову хлоропластів – клітинних органел, загадкових утворень невідомого походження, в яких і йде процес фотосинтезу.

Хлоропласти виглядають в рослинній клітині дуже автономно, немов окремі квартирки в домі: у них можна знайти багато «деталей обстановки», обов’язкові для самої клітини, — скажімо, ДНК і РНК. І вже цей «інтер’єр» хлоропластів викликає роздуми. Наприклад, таке: навіщо ця складність? Без неї ніяк не можна або це «пережиток», результат пройденого еволюцією шляху? Може бути, навіть хлоропласт був колись самостійною істотою?

Питання викликає і буквально кожна деталь «інтер’єру», не кажучи вже про внутрішні хлоропластні мембрани. Сучасною біологією мембранам в клітинах відводиться різноманітний і дуже важливий набір функцій, без них не обходиться жоден з внутрішньоклітинних процесів, вважається навіть, що саме життя клітини тримається на різниці станів, що підтримується в її мікровідділах. Що ж стосується хлоропластів, вважається, що саме на їх мембранах і протікають реакції, які разом складають фотосинтез. Природно, і будова внутрішньоклітинних перегородок зазвичай дуже складна.

Нинішня техніка дозволяє багато чого. Вдається «бачити» за допомогою електронного мікроскопа об’єкти діаметром в частки мікрона. Техніка приготування тканинних зрізів теж досягла віртуозності, яка не снилася лісковському умільцю, що підкував блоху. До послуг біологів і рентгеноконструкторний аналіз. І все-таки в будові мембран дуже багато неясно, отримані дані суперечливі. Невідома молекулярна структура їх шарів, розташування компонентів…

Це – «багато неясно» — буде супроводжувати нас і далі, в який би розділ фотосинтетичної теорії ми не заглянули. І що цікаво, в кожному конкретному випадку неясності бачаться здоланими, здається, ось-ось наука добереться, нарешті, до «дна» проблеми. А «дна» не видно…

Ось ще одне джерело міркувань, гіпотез, роздумів і подивів: хлорофіл, рідкісна речовина, здатна перетворюватися, заряджаючись енергією Сонця. З неї «все» і починається з того, що на хлорофіл падає фотон світла. Що відбувається потім – вже припущення, більш-менш ймовірні. На жаль, знання, здобуті в пробірках хіміками, залишаться гіпотетичними, поки не буде цілком реконструйований фотосинтетичний апарат. Тому і задається питання за питанням, а «дна» проблеми не видно і тут.

Наприклад, як хлорофіл працює? За сучасними даними, хлорофіл включається в роботу не окремою молекулою, а у вигляді агрегату з сотень молекул, званого фотосинтетичною одиницею. Світлова енергія, поглинена будь-якою з молекул, передається в реакційний центр — специфічне з’єднання, що складається з хлорофілу, інших пігментів, білків, ліпідів і особливим чином зв’язаної води. Саме тут починається важка перетворювальна робота.

У порівнянні з усім хлорофілом, який міститься в зеленій рослині, кількість його, що входить в реакційні центри, дуже невелика. Таким чином, переважна маса молекул хлорофілу служить в скромній посаді «збирачів» світлової енергії, а за перехід її в енергію хімічних зв’язків відповідають деякі молекули-фахівці. Той хлорофіл, що входить в реакційний центр, мабуть (ось вже і виникло це слово), знаходиться в особливих зв’язках з тими сполуками, які беруть участь у переносі від води до вуглекислоти електрона. Якщо організм втрачає здатність до утворення таких центрів, він втрачає здатність до фотосинтезу. До цього можна було б додавати багато більш-менш свіжих подробиць. Було встановлено, скажімо, дуже важливу річ: пігменти в клітині (а там, до речі, не один лише хлорофіл, та й сам хлорофіл знаходиться в декількох іпостасях) здатні передавати один одному отриману на світлі енергію, вони немов заряджаються молекула від молекули.

Ось як багато відомо (а це, природно, далеко не все) про те, як хлорофіл організовується для роботи.

Але як же все-таки він працює? Вважається, що збуджений стан його молекули знаходять, приєднуючи або віддаючи при поглинанні фотона електрон. Позбавлені «свого» електрона або з «зайвим» електроном, вони стають вельми активними, вступаючи з інертними речовинами, перш за все з водою, в різні реакції. Порушивши ряд речовин і змусивши їх прореагувати, один з одним, електрон, віднятий у хлорофіла, зрештою, повертається на круги своя.

Це найбільш ймовірне уявлення. Є й інші, як пишуть фахівці, експериментально обґрунтовані недостатньо.

На жаль, експерименти ведуться часто на замінниках, сам хлорофіл in vitro відмовляється виконувати всі життєві функції, і, скажімо, для часткової імітації фотохімічної реакції Е. Рабинович і Т. Андрєєва застосовували барвник метиленовий. Досліди були успішні, але ж не з тією речовиною, яка працює в зеленому листі.

Багато гіпотез, часто досить суперечливих, виникають, і коли мова йде про механізми переносу електрона від хлорофілу до його подальших «споживачів», про так званий електронно-транспортний ланцюг.

Крім того, — і це може бути вражаюча неясність — немає прямих доказів того, яким чином при фотосинтезі виділяється кисень. Вважається, що це «відхід», що виходить при розкладанні води агресивним хлорофілом, але, можливо, це зовсім і не так, а кисень виникає при реакції хлорофілу з іншим, як кажуть фахівці, «донором» — вуглекислотою. І нарешті, деякі речовини, що повноправно працюють на своїх місцях в ЕТЦ, поки ще ніхто не бачив, конкретні кандидати на ці місця лише передбачаються. Словом, знову перед нами бездонна проблема…

Є кілька важливих розділів в теорії фотосинтезу, що належать до цієї теорії тільки якимось одним своїм «боком»: наприклад, проблема фосфорилювання. Не згадати про неї, говорячи про фотосинтез, ніяк не можна. Надто вже драматична це область біології.

Відомо, що універсальною енергетичною валютою в живій клітині служить АТФ, що кислота ця накопичує енергію, зберігає її і, легко розщеплюючись, віддає в міру потреби. Відомо, що відбувається це на мембранах мітохондрій або хлоропластів клітини. А ось процес фосфорилювання, процес утворення АТФ, багато в чому ще неясний.

А це цікавить тих, хто займається фотосинтезом, так само, як і дослідників тваринних тканин, бо звідки б не була придбана енергія клітиною, процедура її засвоєння закінчується утворенням АТФ. І ось створюються гіпотези: хімічні, механохімічні і хеміосмотичні. Як не дивно, всі вони поки що підтверджуються дослідом, і навіть створюється враження, що кожна з них відображає якусь сторону дійсних подій, що вони зовсім не суперечать, а доповнюють одна іншу.

Однак прихильники кожної з гіпотез шукають факти, що працюють «на них». Найбільш впевнено почуває себе хеміосмотична теорія Мітчелла, яка стверджує, що для утворення клітиною АТФ на мембрані повинна виникнути різниця електричних зарядів, або різниця концентрації іонів водню по різні сторони мембрани.

Як бачимо, ми на роздоріжжі чужих роздумів, роздумів тисяч людей, кому не дає спокою вся ця фотосинтетична історія. У роздумах цих задається багато питань, на які відповіді чекати поки не доводиться. Або таких, відповіді на які, здавалося б, вже є. Але питання все одно треба задавати. Інакше не відшукаєш тієї відповіді, яка потрібна. Не докопаєшся до істини. Доводиться повторювати і перевіряти навіть усіма визнані твердження до тих пір, поки вони не стануть очевидними або виявляться невірними. Але тому, хто спостерігає за цим процесом з боку, може здатися, що Свіфт був не так вже неправий у своєму сарказмі. Може бути, істина не глибше, а десь в іншій стороні?

Автор: С. Самсонов, кандидат біологічних наук.