Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца [ Редагувати ]

Как растения производят кислород? Задачка для школьного учебника, как кажется. Если вы думаете, что механизм фотосинтеза объяснён в полной мере, то вы ошибаетесь. Оказывается, природа ещё хранит в тайне самый ответственный момент в этом многоступенчатом процессе.

Разгадать этот секрет пытаются биохимики из американской национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).

"Комплекс марганца произвел весь кислород, от которого зависят сегодняшние формы жизни, - говорит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программу исследования уникального биологического механизма под названием "выпускающий кислород комплекс" (oxygen-evolving complex - OEC). - Это изменило курс развития всей жизни".

Учёный подразумевает, что два с половиной миллиарда лет назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то наткнулись на способ разрушать воду на молекулы кислорода и водород, и кислород впервые начал накапливаться в атмосфере.

Удивительно. За прошедшие миллиарды лет жизнь претерпела сложнейшую эволюцию - только сердцевина процесса фотосинтеза осталась абсолютно неизменной - всего несколько па из сложного танца ионов, фотонов и электронов - средоточие проблемы существования жизни на планете.

Что же это за комплекс OEC? Тут нам придётся совершить мини-путешествие, подобное тому, что выпало на долю сказочного героя, который искал смерть Кощея.

Итак, мы имеем зелёный лист, внутри которого есть клетки, внутри которых содержатся органоиды по имени хлоропласты. Наличие аккумулирующего световую энергию хлорофилла опустим для простоты. Мы идём ещё глубже.

У хлоропластов есть так называемые тилакоидные мембраны.

На этих мембранах закреплены огромные группы сложных белков. Таких групп две - "фотосистема I" и "фотосистема II" (PSI и PSII). А в недрах PSII находится комплекс OEC, без которого фотосинтез был бы невозможен - это своего рода игла, до которой современные биологи так и не добрались.

Что же эта игла делает? Она раскалывает воду на молекулы кислорода, ионы водорода и свободные электроны, используя энергию света.

Тут-то мы и подходим к острию исследований фотосинтеза - как именно OEC проворачивает свой фокус и как собственно этот комплекс выглядит.

Известно уже немало. Например, состав комплекса - в его основе лежат четыре иона марганца, один ион кальция, и несколько атомов кислорода (не тех, что мы будем "создавать", разлагая воду, а внутренних, неразменных).

Но, увы, их взаимное расположение, как и детали взаимодействия со светом и водой - пока не поддались открывателям ларцов и прочих уток.

Какие только методы здесь ни применяли (и применяют) - и различные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу других способов заглянуть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.

Зато уже удалось узнать, что создание молекулы кислорода идёт в несколько шагов. При этом OEC действует, как конденсатор - поэтапно накапливает заряд, чтобы потом одним скачком разрядиться и направить эту энергию для синтеза кислорода.

У комплекса существует пять состояний - от S0 до S4. В S0 два из четырёх ионов марганца имеют положительный заряд в четыре единицы (это ионы MnIV), в то время как другие два иона имеют заряд плюс три (MnIII) и плюс два (MnII) соответственно.

Первые три шага (от S0 до S3) - это последовательный захват квантов света с освобождением электронов, в результате чего комплекс превращается уже в набор одного MnIII и трёх MnIV (плюс, конечно, кислород и кальций).

При этом один из атомов кислорода, из состава комплекса, также теряет электрон.

Что дальше - неизвестно. Ясно только, что происходит ещё два шага - S3-S4 и возврат: S4-S0. В результате чего комплекс перепрыгивает в исходное состояние, а вода, попадающая в пределы фотосистемы II, разлагается на нейтральный кислород и ион водорода.

Высвобождённые в течение всех этих шагов электроны транспортируются в соседнюю белковую систему PSI, где участвуют в длинной цепочке биохимических реакций, приводящих к усвоению углерода и росту растения.

Как именно комплекс раскалывает воду и формирует связь двух атомов кислорода - пока тайна.

Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её весьма любопытным образом. Сначала они идут в супермаркет и покупают пакеты со свежим шпинатом. Растение размалывают в жидкую кашицу, разбавляют и помещают раствор в установку.

Оказывается, даже в таком виде, когда структура растения фактически разрушена до основания, молекулярные комплексы OEC ещё "живут" и сохраняют способность к синтезу кислорода из воды.

В установке царит непроглядная тьма. Но вот учёные дают короткий импульс лазерного света. Группа атомов OEC перескакивает из нулевого состояния в первое. Но вот дальше происходит заминка - новых порций фотонов-то нет.

Тогда исследователи замораживают раствор и помещают его в установку магнитного резонанса или установку рентгеновской кристаллографии.

Затем, записав результат опыта, учёные снова возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера - для перевода системы в следующее состояние. И так далее.

Комбинируя все возможные данные, экспериментаторы составляют карты электронной плотности - и пытаются понять взаимное положение атомов в комплексе и их взаимодействие.

Как уже говорилось выше, различным группам исследователей это частично удалось, но все пока споткнулись на состоянии S3. Образно говоря, в нашей иголке, что хранилась в утином яйце, удалось разглядеть ушко и даже среднюю часть, а самое-самое остриё по-прежнему не видно.

Вот незадача - даже пространственная структура OEC сейчас существует лишь в виде гипотетических вариантов. Для того, чтобы разглядеть остриё иглы существующим методам кристаллографии, не хватает разрешающей способности. Нужно поднять её ещё немного.

Именно этот последний и самый трудный шаг пытаются сделать в Беркли. Учёные говорят, что близки к разгадке, как никогда ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.

Вот тогда можно будет свысока смотреть на все предыдущие эксперименты с фотосинтезом, а заодно - с созданием разнообразных фотоэлектрических панелей.

Ведь в руках у человечества окажется сокровенная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.

И производство водорода (для использования в качестве топлива) из воды станет лёгким, и можно будет создавать искусственные деревья, не только поглощающие парниковые газы, но и вырабатывающие живительный кислород.

Насколько это может кардинально изменить развитие цивилизации, её взаимоотношения с природой - страшно даже представить.

Удивительно, что речь идёт всего-то о нахождении взаимного расположения и механизме взаимодействия нескольких атомов в комплексе OEC - фактически - в единственной молекуле с химической формулой Mn4O4Ca.