Жизнь замечательных веществ

Фотосинтез – уникальный физико-хими– ческий процесс, осуществляемый на Земле всеми зелёными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза – последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций с образованием углеводов и выделением кислорода (строго говоря – для самих-то растений выделение кислорода представляет собой процесс побочный или факультативный – главное, ради чего растение занимается фотосинтезом – синтез углеводов, которые затем участвуют в других обменных процессах).

Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Гетеротрофные организмы – животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли – обязаны своим существованием автотрофным организмам – растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере.

Разработанное природой средство, позволяющее конвертировать световую энергию в химическую, представляет собой порфириновый цикл с длинными боковыми цепями. В центре порфиринового цикла, гемовой структурной единицы, практически не отличающейся от уже упоминавшегося замечательного вещества с гемом – гемоглобина, находится ион магния. Строение порфирина, а точнее – чередование одинарных и двойных связей, обеспечивает поглощение электромагнитного излучения с определенной длиной волны, из-за чего как сами порфирины, так и их комплексы с металлами зачастую имеют характерную окраску.

Боковые цепи хлорофилла производят «тонкую настройку» длины поглощающейся волны света. Существует несколько типов хлорофилла, различающихся именно строением боковых цепей, причём у высших растений, как правило, в листе одновременно два типа хлорофилла (a и b) – присутствие сразу двух видов молекул хлорофилла способствует тому, что растения более эффективно поглощают энергию Солнца.

Другие фотосинтезирующие водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют иной набор пигментов. Например, бурые и диатомовые водоросли, криптомонады и динофлагелляты содержат хлорофиллы a и c, красные водоросли – хлорофиллы а и d. Следует отметить, что реальность существования хлорофилла d в красных водорослях оспаривается некоторыми исследователями, которые полагают, что он является продуктом деградации хлорофилла а. В настоящее время достоверно установлено, что хлорофилл d – основной пигмент некоторых фотосинтезирующих прокариотов. Среди прокариотов цианобактерии (сине-зелёные водоросли) содержат только хлорофилл a, прохлорофитные бактерии – хлорофиллы a, b или c.

Другие бактерии содержат аналоги хлорофилла – бактериохлорофиллы, которые локализованы в хлоросомах и хроматофорах. Известны бактериохлорофиллы а, b, c, d, e и g. Основу молекулы всех хлорофиллов составляет магниевый комплекс порфиринового макроцикла, к которому присоединен высокомолекулярный спирт, обладающий гидрофобными свойствами, который придает хлорофиллам способность встраиваться в липидный слой фотосинтетических мембран.

Тем не менее главная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в биосфере принадлежит хлорофиллам а и b. Если хлорофилл а имеет обычную зелёную окраску, оттенок хлорофилла b в большей степени уходит в желтизну. Хлорофиллы поглощают синюю и красную компоненты солнечного света, а привычная нам зелень летней листвы (или зимней хвои) – это те цвета, которые остаются после поглощения листьями красноты и синевы.

Весной и летом хлорофилл дает листве свою зелёную окраску, но каждую осень лиственные деревья и кустарники меняют цвет своей листвы, на несколько недель принося в скучную серую осень буйство всей палитры жёлтых и красных красок. До настоящего времени считалось, что цвета золотой осени обуславливаются наличием в листьях каротиноидов и флавоноидов. Основным объяснением появления жёлто-красной окраски листьев было следующее: флавоноиды и каротиноиды содержатся и в зелёных листьях, однако их окраска замаскирована зелёной окраской хлорофилла, который разрушается осенью, прекращая маскировать жёлтый и красный цвета. Однако это лишь часть химических процессов, протекающих в листьях осенью.

Летом зелёные листья обеспечивают протекание процесса фотосинтеза, хлорофилл способствует преобразованию солнечного света в химическую энергию. Ранней осенью происходит реадсорбция наиболее важных для лиственных деревьев питательных элементов – азотсодержащих и неорганических соединений из листьев в ветви и ствол, что происходит к разрыву связи между хлорофиллом и белками, обычно способствующими его работе. Однако в свободной, не связанной с белками форме хлорофилл фототоксичен, и воздействие солнечного света на свободный хлорофилл может существенно повредить дереву. Чтобы это не произошло, дерево подвергается «детоксикации», связанной с разрушением хлорофилла.