Загадка эволюционного происхождения того или иного приспособления, – как и многие другие загадки, – часто волнует умы, переоценивающие собственную эффективность. Ибо, например, для фотосинтеза требуется хлорофилл. А это достаточно сложное соединение, которое, конечно же, не могло появиться «вдруг». Однако, – если обратиться к установленным фактам, – именно это и на Земле происходит. Первые организмы осуществлявшие синтез с использованием энергии света известны уже из отложений возрастом 3.7-3.8 миллиардов лет назад. Что практически соответствует возрасту древнейших свидетельств существования жизни на планете вообще.
И начать стоит с того, что дата появления именно хлорофилльного фотосинтеза в настоящий момент неизвестна. Но произошло это относительно поздно. По последним данным только 1.1 миллиард лет назад. Современная же, высокоэффективная модификация хлорофилла, применение которой позволила растениям резко ускорить насыщение атмосферы кислородом (в эдиакарском периоде концентрация кислорода возрастает с 1 до 10%) начинает использоваться только 650 миллионов лет назад. До этого же, – примерно с 2.6 миллиардов лет назад, – бактериями использовался другой пигмент – родопсин. Некоторые микроорганизмы сохраняют верность этому примитивному катализатору до сих пор. Однако, в общем объёме синтеза вклад бактериородопсина незаметен уже с конца протерозоя.
Но – не суть. Ведь, и родопсин достаточно сложен. А к тому же известно, что появляется он не сразу. Соответственно, в начале, в течение более чем миллиарда лет, самые ранние практики фотосинтеза использования производящегося самим организмом пигмента вообще не предполагали. И как это работало?
А что такое «фотосинтез» вообще? Любой синтез биомассы предполагает производство углеводородов. Для этого, очевидно, требуются углерод и водород. И водород – прежде всего. Ведь «отходом» раннего – аноксигенного – фотосинтеза являлся водяной пар, а не свободный кислород. То есть, углерод из состава углекислоты «восстанавливается» водородом, чтобы затем, соединяясь с новыми атомами (главным образом это также окажется водород) образовывать сложные химические конструкции.
То есть, проблема синтеза вообще, это проблема получения организмом свободного водорода, который – таковы уж химические свойства этих двух элементов, – будет охотно вступать в реакции с углеродом с образованием высокомолекулярных соединений. Это крайне упрощённое представление. И даже попросту ложное. В реальности свободный водород в клетке не выделяется. Атомы водорода всё время что-то должно держать, чтоб не сбежали… Но по сути, всё именно так. Для синтеза нужно получить водород.
...Чтоб не тянуть, исследования показали, что простейший фотосинтез естественно развивается из хемосинтеза и долгое время существует параллельно с ним – у одних и тех же организмов. Первые фотосинтезирующие бактерии, одновременно (сначала главным образом, а потом во всё меньше мере) были и железовосстанавливающими. То есть, пигмент не производился в самом организме, а заимствовался из среды. В качестве такового выступали соединения железа – гематит и гётит.
И какое к железу имеет отношение водород? Ну, всем же известно, что железо в воде ржавеет? Окисляется. Fe + H2O = FeO + H2. Тут всё очевидно. Хотя, опять-таки, избыточно упрощено. Ведь гематит и гётит чистого железа не содержат, – только соединения этого элемента… Но принцип тот же. Железо является природным катализатором фотосинтеза.
...Следовательно, первые фотосинтезирующие организмы имели ржавый оттенок. А, скорее, были бесцветными. Поскольку цвет синтезирующего организма обусловлен его стремлением некоторые длины волн – отразить. Так что, долгое время, – в период экспериментов с синтезируемыми самим организмом пигментами, в период родопсина, а затем в эпоху красных водорослей, использовавших простейший хлорофилл модификации a, бактерии и растения были красными. Поскольку для разрушения химических связей использовались только самые энергичные фотоны видимой части спектра – с длиной волны соответствующей синему цвету. Длинноволновое излучение организм отражал, так как негодные фотоны могли лишь внести сумятицу в тонкие биохимические механизмы.
Так, ещё два миллиарда лет пигменты менялись, но цвет – сохранялся.
Зелёные модификации хлорофилла появляются, видимо, уже после того, как пережившая криогений планета оттаяла. В эдиакарский период прорыв совершился ввиду обретения растениями способности использовать и менее энергичные кванты солнечного излучения, – на вспомогательных технологических этапах. Поглощаться, таким образом, стали два участка спектра синий (400-500 нанометров) и красный (600-700 нанометров). Отражался же начал зелёный свет – между 500 и 600 нанометрами.
...Могут возникнуть вопросы, как эволюция пигментов будет протекать на других планетах под лучами других солнц? На первом этапе – без вариантов. В окружающей среде точно будет железо, – это очень распространённый химический элемент. Смещение же спектра светила в красную область этап, на котором фотосинтез совмещается с хемосинтезом, затянет. Ведь, чем ниже энергия квантов, тем труднее использовать их для синтеза.
Затем, существенные отличия также представляются маловероятными. Действительно красный свет даст только карлик коричневый, а мир на орбите такового уместнее считать «тёмным», – землеподобная биосфера на такой планете возникнет едва ли. Красный же карлик, на самом деле, оранжевый, – даёт «ламповый» свет «тёплого» оттенка. Фотосинтез окажется затруднён некоторым дефицитом синего, но земные расцветки пигментов сохранят актуальность в таких условиях. В оранжереях земные растения не замечают большой разницы между солнечным светом и светом ламп накаливания.
