Татьяна Потапова
«В мире науки» №3, 2006

Трансформация энергии в растительной клетке

В настоящее время процесс «запасания солнечного света» растениями описан в деталях на атомно-молекулярном уровне. В нем участвуют десятки видов молекул, расположенных в строгом порядке и четко выполняющих свои функции с точностью до мельчайших долей секунды. Наиболее важными составными частями фотосинтетического аппарата являются:

  • Светособирающая антенна.
  • Фотохимический реакционный центр.
  • Цепь транспорта электронов.

Механизм сопряжения электронного транспорта с трансмембранным переносом протонов и синтезом АТФ.

Фотосинтез (изображение: www.sciam.ru)
Фотосинтез (изображение: www.sciam.ru)
Фотосинтез (изображение: www.sciam.ru)

У системы первичных процессов фотосинтеза есть одно важное свойство, которое позволило проникнуть в ее тайны чрезвычайно глубоко и с высокой точностью. Система «включается» светом, а это значит, что ее можно тестировать как радиотехническое устройство с помощью коротких импульсов света (например, лазерных вспышек). Кроме того, эффективно используются современные спектральные методы: дифференциальная и импульсная спектрофотометрия в полосах поглощения отдельных молекул – участников первичных реакций; флуорометрия; методы электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса. Принципиально важным оказалось изучение препаратов фотосинтетических мембран при низких температурах, а также использование методов математического моделирования и компьютерной имитации.

Удивительно интересные выводы были сделаны биофизиками при анализе механизмов транспорта электрона, которые обеспечивают его эффективный и направленный перенос в макромолекулярных комплексах реакционного центра. Исследование кинетики первичных процессов фотосинтеза при низких температурах (-196оС) показало, что перемещение электрона при температуре жидкого азота происходит со скоростями, в общем близкими к тем, что наблюдаются при комнатной температуре. В основе данного процесса лежит квантово-механическое явление — так называемый туннельный эффект.

Для переноса электрона в фотосинтетической цепи характерно еще одно принципиальное свойство. Как только электрон «добирается» до молекулы акцептора, он утрачивает часть энергии, и обратное движение на этом участке становится невозможным. Потеря электронной энергии происходит в колебаниях легких атомных групп белка-акцептора. Характерное время колебаний составляет несколько пикосекунд. Смещения расстояний, которые при этом происходят у колеблющихся ядер, незначительны – меньше 0,01 Å. Если в ходе таких опытов заменить в белке водород на дейтерий, то, поскольку он обладает большей массой, колебания замедляются, соответственно скорость переноса электрона падает и может быть зарегистрирована экспериментально.

Начиная с последних десятилетий XX в. все большую роль в развитии представлений о структурных изменениях фотосинтетического аппарата играет математическая биофизика – быстро развивающаяся область на стыке прикладной математики, физики, экспериментальной и теоретической биологии. Накопление знаний о структуре, строении и деталях организации фотосинтетического аппарата вместе с ростом возможностей вычислительной техники делают математическое моделирование первичных процессов фотосинтеза все более действенным инструментом, с помощью которого данные спектральных измерений переводятся на язык кинетических параметров и далее, с помощью компьютерной визуализации, на язык структурных изменений фотосинтетического аппарата.

З.Г. Фетисова — сотрудник Института имени А.Н. Белозерского в МГУ им. М.В. Ломоносова — исследовала с помощью математического моделирования процесс миграции энергии электронного возбуждения в модельных фотосинтетических единицах и сопоставила теоретические выводы с данными прямых биофизических измерений свойств природных антенн. В результате ею был теоретически предсказан, а затем экспериментально выявлен ключевой принцип оптимизации функционирования светособирающих структур: олигомеризация пигментов светособирающей антенны. Возможно, это один из самых ранних примеров способности живых структур к кооперативному решению задач жизнеобеспечения.


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • vlkhait  | 27.06.2009 | 17:38 Ответить
    Статья касается отличия живой и неживой природы. Эту разницу автор усматривает в процессах переноса энергии внутри живой клетки. Я не подвергаю сомнению содержание высказанных автором идей с точки зрения ее стремления к истине. Я внимательно изучаю представленный автором материал, чтобы самому добраться до понимания энергетических преобразований в живом организме, несмотря на то, что у меня инженерное образование и я не имею глубоких знаний в биологии. Тем не менее, тема меня очень интересует, в следствие интереса к созданию искусственного интеллекта и искусственной жизни.
    Если говорить о разнице между живой и неживой природой, то мне кажется, рассматривать в качестве ключевого момента перенос энергии в живой клетке излишне, поскольку достаточно того, что живые организмы имеют клеточное строение а неживые нет. С другой стороны подход к пониманию отличия живой и неживой природы с точки зрения внутреннего строения, мне кажется, не плодотворным и является трудным для понимания большинства людей, в том числе, и профессионалов в других областях знания. Более плодотворный подход это инженерный подход т.е. с позиции черного ящика и зависит от внешнего проявления живых и неживых объектов. Их может наблюдать любой человек и отличать между собой живые и неживые объекты. Мыслящий человек непременно обнаружит разницу, найдет и объяснит эту разницу.
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»