Фотосинтез начинается с одного фотона
Фотосинтетическим светособирающим комплексам достаточно одного фотона, чтобы возбудиться для работы.
Фотосинтезом занимаются растения, водоросли, многие бактерии и ещё ряд живых организмов — это мы помним ещё со школы. Осуществлять фотосинтез означает пользоваться энергией света, то есть энергию световых фотонов клетка способна превратить в энергию химическую, ну, а химическую энергию можно уже расходовать по своему усмотрению. Есть оксигенный фотосинтез, когда выделяется кислород, но есть и аноксигенный фотосинтез, когда кислород не выделяется. Энергию от света можно направить на синтез органических веществ из углекислого газа — так делают растения, водоросли, цианобактерии. Или же можно просто запасти световую энергию в удобной форме, а углерод брать из готовой органики вокруг, оставив СО2 в покое — никакого «синтеза на свету» тут, по большому счёту, и нет. Так делают многие бактерии, которые вообще изобретательны насчёт разных путей метаболизма.
Так или иначе, всё начинается с того, что фотосинтезирующая клетка ловит свет. Сколько света нужно для того, чтобы запустить фотосинтез? Долгое время предполагалось, что достаточно всего одного фотона, но одно дело — гипотеза, а другое — экспериментальная проверка. Проверку выполнили сотрудники Калифорнийского университета в Беркли, которые пишут в Nature, что да, фотосинтез начинается с одного фотона.
На самом деле, более корректно тут следует говорить, что одного фотона достаточно для возбуждения светособирающего комплекса. Когда мы слышим о фотосинтезе, нам неизбежно вспоминается хлорофилл — светочувствительный пигмент, который ловит свет. Таких пигментов есть несколько видов; во-первых, у хлорофилла есть разновидности, во-вторых, есть ещё пигменты каротеноиды, ксантофиллы и др. Свет они ловят не сами по себе, а будучи соединены с белками, образуя светособирающие комплексы. Светособирающий комплекс ловит свет и передаёт его другим белкам, которые занимаются собственно химическими реакциями — с помощью энергии света разбивают молекулу воды на кислород и протоны, и запускают перенос электронов, чтобы в итоге появилась энергия и необходимые служебные молекулы, без которых нельзя будет работать с СО2 (для простоты мы говорим о более привычном оксигенном фотосинтезе растений).
Светособирающих комплексов вокруг «химического центра» сидит несколько. И комплексы необязательно сразу перекидывают энергию света на «химический центр». Часто энергия гуляет от комплекса к комплексу, пока доберётся туда, где её начнут использовать для химических превращений. (Светособирающие комплексы бывают разные, но не будем сейчас усложнять картину.) Что значит «перекидывают энергию»? Когда свет падает на комплекс, он переводит его в возбуждённое состояние: определённые электроны в молекулярной машине приобретают дополнительную энергию. Благодаря электромагнитным взаимодействиям близлежащий комплекс может почувствовать эти изменения в своём соседе. Произойдёт так называемый индуктивно-резонансный, или фёрстеровский, перенос энергии. Возбуждение первого комплекса не улетучится в пространство в виде фотона, а перейдёт к другому комплексу, от другого — к третьему и так далее, пока энергия возбуждения не доберётся до реакционного («химического») центра. Энергия как бы стекает к нему от светособирающих комплексов вокруг.
Исследователи показали, что достаточно одного фотона, чтобы возбудить светособирающий комплекс, причём возбудить так, чтобы он пожелал отдать энергию возбуждения кому-нибудь. Эксперименты ставили со светособирающими комплексами бактерии Rhodobacter sphaeroides, которая использует бактериохлорофилл в качестве фотоулавливающего пигмента. Главная тонкость была в специальной установке, которая излучала всего два фотона в единицу времени. Один фотон летел к детектору, чтобы исследователи узнали, что излучение произошло, а другой фотон летел к бактериальному светособирающему комплексу. Он не мог передать его на реакционный центр, так что энергию оставалось только переизлучить в виде нового фотона. По характеристикам излучённого фотона можно было понять, что светособирающему комплексу достаточно одного пойманного фотона, чтобы запустить резонансную передачу энергии по фотосистеме.
Фотосинтез бактерий и фотосинтез растений во многом отличаются, но самые первые светоуловительные этапы происходят у них одинаково (несмотря на разную структуру хлорофиллов и удерживающих их белков). Поэтому, скорее всего, и в растительных клетках светоулавливающие комплексы уже с одного электрона начинают перекидывать друг от друга порции энергии. Современные биотехнологии позволяют вмешиваться в ход фотосинтеза, настраивая его по нашему усмотрению, и, возможно, новые результаты будут иметь значение не только с точки зрения фундаментальной науки, но и с точки зрения сугубо практических сельскохозяйственных задач.
