Каким образом свет «питает» растение и как вызывает химические реакции?

Наука и жизньПрирода

Фотосинтез — «игра с огнём» для растения

Доктор биологических наук Василий Птушенко

Фото Оксаны Птушенко

Свет — основа жизни подавляющего большинства растений, если не говорить о немногих растениях-паразитах. Именно свет даёт им энергию для роста, «питает» их, что позволяет называть растения фототрофными (дословно с греческого — питающимися светом) организмами. Однако парадоксальным образом свет одновременно представляет большую опасность для растений. Он несёт настолько «концентрированную» энергию, что она позволяет растению решить все его биосинтетические задачи, осуществить химические реакции, которые не идут сами по себе, но в то же время способен вызвать неконтролируемые разрушительные химические реакции. Почему так получается, и как растение избегает такой опасности?

Этот вопрос, поставленный весьма общим образом, можно разбить на несколько более узких. И первые два из них — каким образом свет «питает» растение и как вызывает химические реакции?

Фотохимические реакции

Начать проще со второго вопроса. При химической реакции исходная молекула превращается в другую, в некотором смысле более стабильную (если говорить точнее, в ту, у которой ниже химический потенциал). Конечно, хотя молекулы различаются по своей устойчивости, любая из них, даже молекула очень высокореакционного соединения, в какой-то мере стабильна, иначе бы она вообще не существовала — атомы или, по крайней мере, какие-то группы атомов разлетелись бы, не образовав молекулы. Но почему-то часть таких молекул «выскакивает» из своего устойчивого состояния и «сваливается» в другое устойчивое состояние. Так брызги воды вылетают из стакана, перелетают через край и падают на пол. Причины, подбрасывающие некоторые капли воды до высоты края стакана, бывают разные: стакан может подрагивать, стоя на столике в поезде; брызги вызывает и струя воды или даже отдельные капли, упавшие в стакан с большой высоты. Точно так же и молекула способна подняться из своей «энергетической ямы», соответствующей её устойчивому состоянию, и потом «перевалить через край». Необходимый для этого избыток энергии она может получить от других молекул. Чем выше температура, тем больше энергия всех молекул, и нужный избыток проще получить — поэтому при повышении температуры химические реакции идут быстрее. Другой вариант: молекула поглощает свет и тем самым также приобретает избыточную энергию. Такие химические реакции называются фотохимическими.

«Энергетический профиль» химической реакции. Для того чтобы реакция произошла, молекула реагента должна сначала «взобраться» на вершину (хотя, если пользоваться образами, то, скорее, на перевал) энергетического барьера, разделяющего реагент и продукт реакции. Чем больше высота барьера (так называемая энергия активации), тем сложнее молекулам реагента преодолеть его, и тем медленнее будет протекать реакция.

Свет — замечательный источник энергии для химических реакций. Один квант видимого света содержит энергию, огромную по сравнению с той характерной энергией, которую имеют молекулы «сами по себе», за счёт теплового движения — примерно в 70—130 раз бóльшую. Вот только проблема: не всякая молекула не всякий свет может поглотить. Чтобы поглощение было возможно, разница энергий между двумя состояниями молекулы должна быть равна энергии кванта света. Для молекул как микроскопических частиц возможны не любые состояния, а только соответствующие определённым, дискретным уровням энергии, то есть молекулу нельзя чуть-чуть возбудить, есть некоторая минимальная величина, на которую молекула может изменить свою энергию. А у многих молекул разница в энергии электронных уровней заметно больше той энергии, которую несёт квант видимого света. Его энергии просто не хватает, чтобы «забросить» молекулу хотя бы на ближайший верхний уровень, в возбуждённое состояние. И лишь у некоторых веществ первый возбуждённый электронный уровень энергии лежит не слишком высоко — настолько, что энергии кванта видимого света хватает, чтобы молекула оказалась на этом уровне. Такие вещества могут поглощать свет, и называют их пигментами.

Хлорофил

У растений множество самых разных пигментов, и какой только свет они не поглощают! Вспомним разнообразную окраску цветков и плодов растений и даже листьев в осеннюю пору. Однако основной пигмент растений — хлорофилл. Он способен поглощать как синий, так и красный свет — в итоге и в отражённом, и в прошедшем через лист свете остаётся в основном зелёный. В отличие от всех остальных пигментов в растении для него созданы особые условия: хлорофилл сидит в специальном белке — так называемом фотосинтетическом реакционном центре, а рядом с ним в этом же белке размещены другие молекулы, с которыми он должен быстро вступить в фотохимическую реакцию, как только поглотит свет.

Строение молекулы хлорофилла. Голубыми сферами показаны атомы углерода, красными — кислорода, синими — азота, светло-коричневой сферой — атом марганца.

Такие особые условия для хлорофилла — неспроста. Дело в том, что, для того чтобы вступить в фотохимическую реакцию, молекуле мало быть пигментом: поглотив свет и перейдя в возбуждённое состояние, она должна продержаться в нём достаточно долго, чтобы успеть прореагировать с чем-то ещё. У многих молекул пигментов время жизни возбуждённого состояния слишком короткое. А вот у хлорофилла оно уже достаточное, чтобы успеть осуществить химическую реакцию. Конечно, по нашим меркам, это тоже мгновения — наносекунды, однако если все условия для протекания реакции подготовлены, то это вполне возможно.

Задача фотосинтеза

Чтобы объяснить, как именно растение использует энергию света, поглощённого хлорофиллом, можно было бы подробно описать последовательность всех реакций, которые происходят в хлоропласте (той клеточной органелле, в которой сосредоточен весь фотосинтетический аппарат растения). Однако это было бы примерно то же, что описывать в деталях внутреннее устройство какого-нибудь сложного прибора. Трудно сразу воспринять обилие деталей, каждая из которых в своё время оказалась гениальной находкой изобретателя, и понять принцип работы устройства. Проще подойти к этому вопросу с конца: а что, собственно, требуется от фотосинтетического аппарата?

Как хорошо известно, фотосинтез заключается в том, что растение поглощает из воздуха углекислый газ (CO2) и превращает его в органические вещества. С этим сопряжён ещё один процесс — расщепление молекулы воды, при котором два атома кислорода (из двух молекул воды) образуют молекулярный кислород, уходящий из растения в атмосферу. Отщепляемые от молекулы воды ионы водорода остаются в водной среде клетки. А что нужно для того, чтобы превратить CO2 в органику?

Посмотрим на вопрос с другой стороны: а что происходит при превращении органических веществ в CO2? С одной из разновидностей этого процесса все сталкивались — это горение. Органические вещества, например целлюлоза (основной компонент древесины, полимер глюкозы), реагируют с кислородом, происходит окислительно-восстановительная реакция. Кислород, чрезвычайно электроотрицательный элемент, то есть способный притягивать к себе валентные электроны почти любых других элементов, отбирает их у молекул целлюлозы. Разумеется, атомы, у которых кислород утащил электроны, тоже должны куда-то деться, и при полном сгорании они устремляются вслед за своими электронами, в итоге образуя соединения с кислородом (оксиды), в которых основная электронная плотность смещена к кислороду, хотя и у его партнёра тоже кое-что остаётся. Партнёры эти — углерод и водород, продукты горения — их оксиды, углекислый газ и вода (если мы говорим о полном сгорании; при неполном сгорании могут образовываться и разнообразные другие, частично окисленные соединения). То же самое — не по детальному механизму, но по конечному результату — происходит и в живых организмах при дыхании: глюкоза окисляется кислородом до воды и CO

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Гонки вокруг света Гонки вокруг света

Путешествие «леди Сенсация» привлекло внимание прессы и читателей по всему миру

Вокруг света
Что наука знает о счастье: 3 исследования Что наука знает о счастье: 3 исследования

Марина Пустильник о том, что же делает человека счастливым

РБК
«Мониторинг магнитного поля — это наш компас» «Мониторинг магнитного поля — это наш компас»

Каково вырасти в семье политического деятеля и философа, а стать математиком?

Наука
Банки вкладывают в инклюзию Банки вкладывают в инклюзию

В Т-банке появилась поддержка только с глухими и слабослышащими сотрудниками

Ведомости
Так буллинг приводит к трагедии: почему сериал «Переходный возраст» стал откровением для родителей Так буллинг приводит к трагедии: почему сериал «Переходный возраст» стал откровением для родителей

Чему нас может научить сериал о психологии насилия «Переходный возраст»

VOICE
Довести промышленность до автоматизма Довести промышленность до автоматизма

Каким образом будет формироваться внутренний спрос на роботизацию в России

Монокль
«Картинки» натуралиста «Картинки» натуралиста

Что отражено в русских названиях птиц из семейства куликов?

Наука и жизнь
Энергостратегия-2050: поддадим газу, дадим угля! Энергостратегия-2050: поддадим газу, дадим угля!

Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России

Монокль
Интенсивное лечение артериальной гипертензии снизило риск деменции Интенсивное лечение артериальной гипертензии снизило риск деменции

Интенсивное выявление артериальной гипертензии значительно снижает риск деменции

N+1
Поставки по расписанию Поставки по расписанию

Что экспортировал СССР во время войны

Эксперт
Куда приводят мечты инженеров Куда приводят мечты инженеров

Маршрут выходного дня по Калужской области

Weekend
Почему долгосрочные сбережения «не летят» Почему долгосрочные сбережения «не летят»

Почему у людей нет интереса к программе долгосрочных сбережений и ИИС-3

Монокль
Денис Шевченко Денис Шевченко

Сентиментальный твист и «Новая Академия» в квартире Дениса Шевченко

Собака.ru
Когда медицинские практики прошлого у нас в крови… Когда медицинские практики прошлого у нас в крови…

На протяжении почти 2000 лет для лечения болезней использовалось кровопускание

Знание – сила
Как выбрать мойку высокого давления: основные характеристики Как выбрать мойку высокого давления: основные характеристики

Список критериев, по которым стоит выбирать мойку высокого давления

CHIP
Четко по телу Четко по телу

Как «сбросить апельсиновую корку» с кожи?

Лиза
Космический буксир: мирный атом или ненаучная фантастика? Космический буксир: мирный атом или ненаучная фантастика?

Чем интересна перспектива использования ядерного двигателя в космосе?

Наука и техника
Европейская оборона Европейская оборона

Между выводом американских войск и «разумной достаточностью»

Деньги
Дачники идут! Дачники идут!

Составили психологических портрет тех, кто предпочитает курортам свои фазенды

Лиза
От мела к модели: как искусственный интеллект перестраивает образовательный процесс От мела к модели: как искусственный интеллект перестраивает образовательный процесс

ИИ вошел во многие сферы жизни. Не избежала его и система образования

ТехИнсайдер
Верни мой каменный топор Верни мой каменный топор

Вновь изобрести технологии каменного века занимательно, но зачем это нужно?

Вокруг света
Продлили срок: что можно сделать из бывших тюрем Продлили срок: что можно сделать из бывших тюрем

Как бизнесмены и государство развивают бывшие тюрьмы

Forbes
Островский – революция в русском театре Островский – революция в русском театре

Гончаров, известный трилогией на букву «О», был интересным и метким критиком

Знание – сила
Из отдыха знаменитых Из отдыха знаменитых

Как отдыхали и творили известные дачники?

Лиза
Сошедший с орбиты Сошедший с орбиты

Как австралийцы изобрели «орбитальный» двигатель внутреннего сгорания

Наука и жизнь
Суперсила любви Суперсила любви

Как чувство любви формирует нашу жизнь и влияет на развитие цивилизации?

Psychologies
«Небывалое, страшное духовное подполье» «Небывалое, страшное духовное подполье»

Дневники Ольга Берггольц: блокада, репрессии и сила слова

Дилетант
Почему женщины выбирают мужчин с криминальным прошлым: объясняет психолог Почему женщины выбирают мужчин с криминальным прошлым: объясняет психолог

По каким причинам девушки выбирают парней с криминальным прошлым?

VOICE
Размеры шлемов: как подобрать мотоциклисту, как измерить голову, таблица Размеры шлемов: как подобрать мотоциклисту, как измерить голову, таблица

Как измерить голову и выбрать мотошлем нужного размера?

РБК
Не ешь пирожок! Не ешь пирожок!

Составляем правильное меню для тебя (без булочек!)

VOICE
Открыть в приложении