Воздух и угощение: растения обеспечивают нас жизненно необходимым кислородом и составляют основу нашей пищевой цепи. Секрет их ключевой роли - фотосинтез. В этом очень сложном процессе они используют энергию солнца для производства сахаров, что делает энергию света пригодной для использования другими живыми существами, такими как люди и животные. Без них жизнь на земле в ее нынешнем виде и разнообразии была бы просто невозможна.
Если бы земля не была покрыта водой на две трети, мы бы назвали ее зеленой планетой. Потому что независимо от того, куда мы идем, растения уже там. Задолго до того, как первые животные покинули океаны, именно растения завоевали сухопутные территории и подготовили революцию жизни.
Особая способность растений к фотосинтезу превратила землю в зеленый оазис жизни, который породил тысячи видов животных - и нас, людей.
Но даже при том, что мы видим себя венцом творения, нам удалось лишь частично скопировать удивительную силу фотосинтеза растений в лаборатории. Тем не менее, понимание сложных процессов внутри листьев очень продвинуто благодаря современной науке. Долгий путь от солнечного света до сахаров больше не является загадкой, по крайней мере, в теории.
Фотосинтез - чрезвычайно сложный процесс, включающий множество маленьких шагов и циклов основных и второстепенных реакций. Тем не менее, его можно разделить на два основных этапа: светлая реакция и темная реакция.
Вода расщепляется светом
Первым важным шагом является светлая реакция или светозависимая реакция. Это происходит на тилакоидной мембране внутри хлоропластов. Там комплекс сбора света вместе с другими белками образует своего рода биологическую машину, называемую Фотосистемой II, или сокращенно PS II, которая захватывает молекулы воды и использует энергию комплекса сбора света для их расщепления. При этом он производит молекулы кислорода, которые растение выделяет в виде «отработанного газа», а также положительно заряженные ионы водорода, то есть протоны, которые собираются внутри тилакоида.
Кроме того, в воде высвобождаются расщепляющие электроны, которые находятся в энергетически возбужденном состоянии. Растение использует их энергию, чтобы инициировать дальнейшие реакции легкого этапа, которые происходят в других местах на тилакоидной мембране. Используя специальные «транспортные средства», электроны передаются в соответствующие реакционные центры, где они выделяют немного своей энергии.
Генератор для хранения энергии
Например, на одной станции установка с помощью электронов перекачивает дополнительные протоны внутрь тилакоида. Вместе с протонами, образующимися в результате расщепления воды на PS II, внутренняя часть тилакоида заряжается положительно, так же, как положительный полюс батареи. Это создает своего рода давление, которое заставляет протоны двигаться наружу. Но они не могут пройти через мембрану. Единственным выходом для них является специальный туннель: фермент АТФ-синтаза.
АТФ-синтаза - это не простой туннель, а скорее «генератор» клетки. Он освобождает протоны индивидуально от положительно заряженного тилакоида - но не напрасно: на выходе каждый протон берет немного энергии в качестве «заряда». Это делается путем поворота их ротообразной головки с каждым передаваемым протоном. Таким образом, энергия протонов кэшируется как механическое напряжение, похожее на заводную игрушку. Мини-генератор регулярно использует эту энергию для производства био-энергетических единиц, так называемого аденозинтрифосфата, для краткости АТФ.
Энергетическая валюта клеток
АТФ является, так сказать, биотопливом в клетках всех живых существ и может очень легко перерабатываться ими. Жизненная молекула имеет три фосфатные группы на одном конце. Разделяя одну из этих групп, высвобождается энергия, необходимая клеткам для различных задач. Имея только две фосфатные группы, молекула называется аденозинтрифосфат, АТФ.
АТФ с более низкой энергией не является отходом. Благодаря "генератору" АТФ-синтазы, он может быть переработан в АТФ с расходом энергии с фосфорным компонентом. У людей и животных энергия, необходимая для этого, поступает из клеточного дыхания. В растениях энергия солнечного света используется и становится доступной для синтеза АТФ через несколько этапов в световой реакции.
Финал световой реакции
АТФ не единственная энергетическая валюта, которая производится в ходе световой реакции. В одном из последних реакционном центре электроны от расщепления воды достигают фотосистемы I (PS I). Это еще одна биологическая машина, которая, как и PS II, работает со световой энергией, но также и с выпущенными электронами.
С помощью белкового комплекса PS I образуется молекула NADPH, которая играет такую же важную роль в биологических процессах, что и АТФ. В своем синтезе он поглощает электроны, выделяющиеся в начале световой реакции на PS II. Особенно легко высвободить эти электроны и, таким образом, запустить химические реакции.
На этом завершается первый основной шаг - легкая реакция. На основе воды и световой энергии растение произвело высокоэнергетические АТФ-блоки и электронодонорные молекулы NADPH, а также кислород в качестве «отработанного газа». Решающий шаг, производство сахара, происходит в темной реакции.