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

Формула мечты Формула мечты

Каким должен быть идеальный болид?

ТехИнсайдер
Зарплатно-гендерный вопрос Зарплатно-гендерный вопрос

Удовлетворенность размером зарплаты среди мужчин и женщин практически сравнялась

Ведомости
«Солнечные космические лучи — моя любовь…» «Солнечные космические лучи — моя любовь…»

Галина Базилевская об исследованиях физики Солнца и космических лучей

Наука и жизнь
Пожилые люди, которые потребляют белок три раза в день становятся сильнее Пожилые люди, которые потребляют белок три раза в день становятся сильнее

Потребление белка может помочь сохранить мышечную силу с возрастом

ТехИнсайдер
Запечатанный воздух Запечатанный воздух

Японские семейные тайны Сахалина

Weekend
Оказывается, пассажиров с гипсом могут не пустить в самолет: вот что нужно знать Оказывается, пассажиров с гипсом могут не пустить в самолет: вот что нужно знать

С какими нюансами можно столкнуться в аэропорту, если быть с гипсом

ТехИнсайдер
Павел Ворожцов: «Я талантливый и скромный!» Павел Ворожцов: «Я талантливый и скромный!»

«Люблю повторять слова, что актерство — это ходьба по канату»

Караван историй
Китайское рекламное чудо Китайское рекламное чудо

На какую рекламу тратят рекламный бюджет компании на российском рынке

Ведомости
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
Юродивый из Лефортова Юродивый из Лефортова

Почему смерть рэпера обсуждала вся страна и что не так с молодежной политикой?

Монокль
Узкий таз защитил от артрита колена и опущения органов Узкий таз защитил от артрита колена и опущения органов

Широкий таз облегчает деторождение, но добавляет других проблем со здоровьем

N+1
«Обогащайтесь!» «Обогащайтесь!»

От старшего брата тамбовцам остались легенды — и мрачное пророчество

Дилетант
Венгерская хроника Венгерская хроника

Михай Зичи: хроникёр придворной жизни России XIX в акварели

Дилетант
Гладкая мускулатура самолета – электродвигатели Гладкая мускулатура самолета – электродвигатели

Как выглядят авиационные электродвигатели, где установлены и как управляются?

Наука и техника
Полина Гухман: «Ради роли готова к любым экспериментам с внешностью» Полина Гухман: «Ради роли готова к любым экспериментам с внешностью»

«Меня часто спрашивают: «Поля, тебе не кажется, что ты повсюду?»

Коллекция. Караван историй
Если бабушка балует ребенка Если бабушка балует ребенка

Как тактично склонить старшее поколение на свою линию воспитания

Лиза
Как Мехран Насери из Ирана жил в аэропорту Парижа в течение 18 лет: история из фильма Как Мехран Насери из Ирана жил в аэропорту Парижа в течение 18 лет: история из фильма

История Мехрана Насери — иранца, который так и не смог покинуть зону ожидания

ТехИнсайдер
Жертвы Кургана: подвиги и самоотдача города трудовой доблести Жертвы Кургана: подвиги и самоотдача города трудовой доблести

Линия фронта проходит возле твоего станка — таким был лозунг курганских рабочих

ФедералПресс
Европейская оборона Европейская оборона

Между выводом американских войск и «разумной достаточностью»

Деньги
Оппонента не выбирают Оппонента не выбирают

Как изменилась политическая картина в Турции после ареста мэра Стамбула

Эксперт
Николай Лебедев: Сейчас я бы очень хотел снять космическую фантастику Николай Лебедев: Сейчас я бы очень хотел снять космическую фантастику

Как Н. Лебедев стал постановщиком «Кракена» и чем ему помог плюшевый осьминог

Ведомости
IDеальное преступление IDеальное преступление

Четыре года назад «Популярная механика» опубликовала свой первый кибердетектив

ТехИнсайдер
В ритме сердца: что такое HRV и так ли он важен В ритме сердца: что такое HRV и так ли он важен

Разбираем все, что нужно знать о вариабельности сердечного ритма

РБК
Впали в детство: почему рабочие взаимоотношения превращаются в семейную драму Впали в детство: почему рабочие взаимоотношения превращаются в семейную драму

Как избежать «семейных» конфликтов на работе

Forbes
Светлана Коркошко: «Одиночество — это моя природа» Светлана Коркошко: «Одиночество — это моя природа»

«Я долго не могла переступить порог моего любимого МХАТа после его раздела»

Коллекция. Караван историй
Путь от бастарда до монарха Путь от бастарда до монарха

Как бастарду Вильгельму I удалось превратить свою мечту о короне в реальность?

Дилетант
«Мировое разделение труда — вещь очень ненадежная» «Мировое разделение труда — вещь очень ненадежная»

О работе самого большого промышленного холдинга страны, госкорпорации «Ростех»

Эксперт
Цена свободы Цена свободы

Свобода от российских энергоресурсов обошлась экономике Евросоюза в €1,3 трлн

Ведомости
Древние города Древние города

Что посмотреть в поселениях России, которым более тысячи лет

Лиза
Почему зевать — опасно? Узнайте интересные факты и мнение специалистов Почему зевать — опасно? Узнайте интересные факты и мнение специалистов

Почему сонливость и зевота — опасны?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении