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

Книги Книги

Лучшие современные иностранные романы: выбор Яны Вагнер

Правила жизни
Как и зачем одна женщина записала и сохранила более 30 лет передач на ТВ в США Как и зачем одна женщина записала и сохранила более 30 лет передач на ТВ в США

Архив Мэрион Стокс — это уникальная хроника истории

ТехИнсайдер
«Глупые катастрофы, умные катастрофы» «Глупые катастрофы, умные катастрофы»

Фрагмент из книги «Мертвый лев. Посмертная биография Дарвина и его идей»

Знание – сила
Жизнь на свободную тему Жизнь на свободную тему

Как вырастить ребенка уверенным, жизнерадостным и устойчивым?

Psychologies
Борьба со старением: новые подходы и тренды Борьба со старением: новые подходы и тренды

Что сегодня предлагает от старения превентивная медицина?

РБК
Как тебя зовут? Как тебя зовут?

Что такое число имени и как оно влияет на судьбу

Лиза
У нас секса нет? У нас секса нет?

Из-за чего мужчины комплексуют в постели?

Лиза
От Марса до квантовой физики: 11 книг для любителей научной фантастики От Марса до квантовой физики: 11 книг для любителей научной фантастики

Что ждет человечество в будущем? Фантасты размышляют в своих книгах

Maxim
Вклад в людей и технологии Вклад в людей и технологии

Москва поддерживает бизнес, выделяя гранты на развитие экспортной деятельности

Ведомости
Мария Порошина Мария Порошина

«Людмила Ставская взяла меня за руку, а я чувствовала себя как слепой котенок»

Караван историй
Цена возрождения Цена возрождения

Как восстанавливали экономику СССР после Великой Отечественной войны

Деньги
Самые безумные и правдоподобные теории заговора про римских пап Самые безумные и правдоподобные теории заговора про римских пап

Какие теории заговора про римских пап были самыми безумными?

Maxim
Джозефу Пулицеру — 177 лет: кем был создатель главной журналистской премии Джозефу Пулицеру — 177 лет: кем был создатель главной журналистской премии

История создателя «Оскара» в журналистике — журналиста Джозефа Пулицера

Правила жизни
Эффект рататуя Эффект рататуя

Как вкусы из детства могут формировать наш характер и модель поведения

Grazia
Ликвидность на бумаге Ликвидность на бумаге

Почему в банковской системе России сохраняется структурный профицит ликвидности

Ведомости
Как бизнесу нестыдно реагировать на негативные отзывы, опыт Ozon Travel Как бизнесу нестыдно реагировать на негативные отзывы, опыт Ozon Travel

Как бизнесу общаться с недовольными клиентами

Inc.
Сила притяжения нарастает Сила притяжения нарастает

Мировой ответ Китаю в сфере редкоземельных металлов — создание альянсов

Монокль
Клещ выходит на охоту Клещ выходит на охоту

Чем опасны клещи?

Лиза
Рома Peeks Рома Peeks

Рома Peeks рисует порцию кидкорных ковров и раскрывает этимологию фамилии

Собака.ru
Химики воспроизвели межзвездный синтез всех молекул цикла Кребса Химики воспроизвели межзвездный синтез всех молекул цикла Кребса

Химики в лаборатории синтезировали весь набор карбоновых кислот из цикла Кребса

N+1
Вселенная, возможно, вращается, но очень медленно Вселенная, возможно, вращается, но очень медленно

Как открытие вращения Вселенной может решить загадку «напряжения Хаббла»

ТехИнсайдер
Фактор стройности Фактор стройности

Как извлечь из клетчатки максимум пользы для организма?

Лиза
Мы одни из них: в чем величие сериала The Last of Us Мы одни из них: в чем величие сериала The Last of Us

Что именно выделяет «Одних из нас» на фоне других сериалов на подобную тематику

Правила жизни
Олег Майами: «Я привык по жизни биться сам за себя» Олег Майами: «Я привык по жизни биться сам за себя»

Запросто поговорили с певцом Олегом Майами о красоте и ЗОЖе

VOICE
Жить вместе, но порознь: почему пары не разводятся официально? Жить вместе, но порознь: почему пары не разводятся официально?

Какие причины заставляют людей сохранять брак на бумаге, но жить отдельно?

VOICE
Оборона в глубоком тылу Оборона в глубоком тылу

Какие экономические решения сделали СССР страной-победителем

Эксперт
52 дня под водой: чем закончился рекордный эксперимент советской глубоководной станции «Черномор» 52 дня под водой: чем закончился рекордный эксперимент советской глубоководной станции «Черномор»

Как проходил эксперимент по самому длительному пребыванию акванавтов под водой

ТехИнсайдер
Непростая материя Непростая материя

Секреты, которые скрывают узоры ивановских тканей

Вокруг света
Как Мэй Хабиб заработала $285 млн на ИИ-агентах, способных заменить 90% работников Как Мэй Хабиб заработала $285 млн на ИИ-агентах, способных заменить 90% работников

Как Мэй Хабиб создает ПО на базе ИИ, которое берет на себя рутинные задачи

Forbes
Сезон айс-латте начался, а полезно ли вообще пить холодный кофе? Спойлер: еще как! Сезон айс-латте начался, а полезно ли вообще пить холодный кофе? Спойлер: еще как!

О пользе обычного кофе известно немало, а что насчет пользы холодного напитка?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении