Сейчас сделайте глубокий вдох, почувствуйте, как кислород наполняет ваш организм. Нет, вы не на занятии по йоге. А читаете материал про фотосинтез, благодаря которому как раз ваше предыдущее действие стало возможным. Мы все на уроках в школе (кто-то очень давно, а кто-то недавно) разбирали, что растения поглощают углекислый газ, а выделяют кислород. Этот процесс кажется нам настолько естественным, что мы забываем о его важности, а ведь всё работало в этом режиме не всегда… Вспомнить о нашей зависимости от растений и бросить свой взгляд на фотосинтез нам предложила Евгения Почкаева, старший преподаватель Высшей школы биотехнологий и пищевых производств, член Совета молодых учёных Политеха.
Все слышали про Большой взрыв и понимают, что для нас, для природного мира это важная точка отсчета. А что насчёт Великого окисления (Great Oxidation Event, Ga), вы знаете, что это за событие, и почему оно тоже очень значимо для истории развития Земли? Однажды ~2,3 млрд лет назад… Стоп. Сначала нужно растормошить остаточные знания с уроков биологии.
Шпаргалка-напоминалка (для тех, кто хочет освежить школьную программу в своей голове)
Хлорофилл — зеленый пигмент в составе водорослей и высших растений. Он поглощает энергию солнца. Затем растение использует ее, чтобы из воды и двуокиси углерода получить сахаристое вещество — глюкозу. Этот процесс и называется фотосинтезом. Растения используют глюкозу для роста, из нее образуется сладкий плод и нектар, привлекающий насекомых-опылителей. Избыток сахара запасается в семенах или корнях. Сравнительно недавно доказано также широкое распространение в растениях сахарозы: она находится в листьях и образуется во время прорастания.
Растения могут поглощать некоторое количество влаги листьями, однако большую часть необходимой им воды они извлекают из почвы при помощи корней. Корни буквально обнимают окружающие их частицы грунта. Их маленькие корешки расходятся во все стороны. Вырвав растение из земли, вы увидите тоненькие белые корешки, но не сможете разглядеть покрывающие их микроскопические корневые волоски, которые и поглощают воду. Если растение выдергивают, эти волоски ломаются, и растение увядает.
Веточка мяты, которая зажгла свечу и запустила процесс изучения фотосинтеза
Изучение фотосинтеза началось в 1771 году с наблюдений английского священнослужителя и ученого Джозефа Пристли. Он держал горящую свечу в закрытом контейнере до тех пор, пока воздух внутри контейнера не перестал поддерживать горение. Затем исследователь поместил в емкость веточку мяты и обнаружил, что через несколько дней она выделила некое вещество (позже признанное кислородом), которое позволило замкнутому воздуху снова поддерживать горение. В 1779 году голландский врач Ян Ингенхауз расширил результаты работы Пристли, показав, что для восстановления горючего вещества (т. е. кислорода) растение необходимо подвергнуть воздействию света. Он также показал, что для этого процесса необходимо присутствие зеленых тканей растения.
В 1782 году было показано, что кислород образуется за счет другого газа, или «неподвижного воздуха», который годом ранее был идентифицирован как углекислый газ. Газообменные эксперименты 1804 года показали, что увеличение веса растения, выращенного в тщательно взвешенном горшке, происходит за счет поглощения углерода, который полностью образуется из поглощенного углекислого газа и воды, поглощенной корнями растения, остаток — это кислород, выделяемый обратно в атмосферу. Прошло почти полвека, прежде чем концепция химической энергии развилась настолько, что позволила открыть (в 1845 году), что световая энергия солнца сохраняется в виде химической энергии в продуктах, образующихся в процессе фотосинтеза.
Однажды ~2,3 млрд лет назад…
Атмосферный O2 оставался значительно ниже современного атмосферного уровня (PAL) на протяжении ~90% истории Земли. А Великое окисление как раз изменило расклад. До него командовали парадом аноксигенные фототрофные бактерии, которые использовали бескислородный фотосинтез (без выделения О2). При нём донором электронов служит не вода, а сероводород (H2S), водород (H2), железо (Fe(II)) и некоторые другие соединения. Но во время Великого окисления лидирующая позиция перешла к оксигенным собратьям.
Хотя уровень O2 мог колебаться во время Великого окисления, результаты этого события очевидны: подъем уровня кислорода в атмосфере и поверхностном слое океана. Это доказывают обнаруженные учёными факты: резкое сокращение осаждения железа, появление красных пластов в континентальных осадочных толщах и сульфатов кальция в морских средах, сохранение железа в древних горизонтах выветривания, потеря детритного уранинита и других минералов, чувствительных к окислительно-восстановительным процессам.
Продолжаем наблюдать за растениями
Профессор Института Солка Джоан Чори провела более 30 лет, используя Arabidopsis thaliana, небольшое цветущее растение горчицы, как модель роста растений. Используя молекулярную генетику, она изучила, как растения меняют свой размер, форму, чтобы оптимизировать рост и фотосинтез в определенных средах. Она стала пионером в применении молекулярной генетики в биологии растений и изменила наше понимание фотосинтеза.
Благодаря передовым инструментам и совместным подходам международной команды ученых из Великобритании, Бельгии, Швеции, США и Израиля были сделаны открытия по поглощению воды растениями. Когда корни соприкасаются с влагой, ключевой гормональный сигнал (ауксин) проникает внутрь вместе с водой, вызывая появление новых корневых ветвей. Однако, когда корни теряют контакт с влагой, они полагаются на внутренние источники воды, которые мобилизуют другой гормональный сигнал (ABA), который блокирует движение сигнала ветвления. Этот простой, но элегантный механизм позволяет корням растений точно подстраивать свою форму под местные условия и оптимизировать поиск влаги.
Физику из Ноттингемского университета Флавиусу Паскуту и его команде удалось в реальном времени наблюдать за тем, как растения пьют воду. Они применили чувствительную лазерную технику оптической микроскопии, чтобы неинвазивно отслеживать движение воды внутри живых корней.
Естествоиспытатель, специалист по физиологии растений Климент Тимирязев восхищался растениями: «Растение — посредник между небом и землею. Оно — истинный Прометей, похитивший огонь с неба. Похищенный им луч солнца горит и в мерцающей лучине, и в ослепительной искре электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик гигантской паровой машины, и кисть художника, и перо поэта».
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы, живя в городах, не забывать про нашу связь с природой!
Что ещё почитать?
