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

Болотные семафоры Болотные семафоры

Дупеля летят к нам из жарких поясов экваториальной Африки...

Наука и жизнь
Стремительный разгон и быстрый взлет: самые короткие взлетно-посадочные полосы в мире Стремительный разгон и быстрый взлет: самые короткие взлетно-посадочные полосы в мире

Аэропорты, взлетно-посадочные полосы которых проверяют пилотов на прочность

ТехИнсайдер
Генеральная уборка Генеральная уборка

Как РГО старается уменьшить следы антропогенного воздействия

Вокруг света
Зажигаем звезды Зажигаем звезды

Подборка историй о людях, которые двигают прогресс небывалым

ТехИнсайдер
Владимир Потанин: «Деньги — это просто строительный материал» Владимир Потанин: «Деньги — это просто строительный материал»

Владимир Потанин о жизни, главных качествах бизнесмена и жадности

Men Today
«Мамонты следующие»: Colossal Biosciences вернула к жизни вымерших 10 тысяч лет назад лютоволков «Мамонты следующие»: Colossal Biosciences вернула к жизни вымерших 10 тысяч лет назад лютоволков

Как ученым Colossal Biosciences удалось произвести на свет щенков лютоволка

VC.RU
Рукопожатие крепкое Рукопожатие крепкое

Как развивается рынок высокотехнологичных протезов

Эксперт
Миниатюрный орнитоптер стал одноногим прыгуном Миниатюрный орнитоптер стал одноногим прыгуном

Как инженеры создали робота-прыгуна массой меньше грамма

N+1
6 самых популярных сюжетов снов 6 самых популярных сюжетов снов

Какие сюжеты снов чаще всего снятся людям?

ТехИнсайдер
Секрет похудения, который заключается не в голодании или подсчете калорий Секрет похудения, который заключается не в голодании или подсчете калорий

Какое воздействие на организм окажет один день без углеводов?

ТехИнсайдер
Венгерская хроника Венгерская хроника

Михай Зичи: хроникёр придворной жизни России XIX в акварели

Дилетант
Мама, ты меня не понимаешь! Мама, ты меня не понимаешь!

Как направить дочь по верному пути и при этом сохранить с ней контакт?

Лиза
Корней Чуковский Корней Чуковский

Корней Чуковский — литературный гений, полный противоречий

Дилетант
Смена сторон Смена сторон

Почему теннисисты меняют спортивное гражданство и выступают за другие страны

Ведомости
Запечатанный воздух Запечатанный воздух

Японские семейные тайны Сахалина

Weekend
Даниил Воробьев: «Урок» – это большой разговор с матерью через экран» Даниил Воробьев: «Урок» – это большой разговор с матерью через экран»

Даниил Воробьев о том, как «выгуливает» своих героев вне съемочной площадки

Ведомости
Тонны мусора: как современная экономика заставляет нас увеличивать количество отходов Тонны мусора: как современная экономика заставляет нас увеличивать количество отходов

О том, как гражданское общество в России строит систему сокращения отходов

Forbes
Всё в цвету Всё в цвету

Обсудили с экспертом, как защитить чувствительную кожу в сезон пыльцы

Лиза
Генерируй, или проиграешь: искусственный интеллект задает темп чиновникам и бизнесу Генерируй, или проиграешь: искусственный интеллект задает темп чиновникам и бизнесу

Как искусственный интеллект облегчил жизнь и какие вызовы он поставил

ФедералПресс
Платеж за доверие Платеж за доверие

Рынок платежных агентов все больше консолидируется вокруг банков

Ведомости
3D-печать домов, роботы-диагносты, космические двигатели и сверхпрочные ткани: как российские стартапы создают будущее 3D-печать домов, роботы-диагносты, космические двигатели и сверхпрочные ткани: как российские стартапы создают будущее

Подборка историй людей, которые двигают прогресс

ТехИнсайдер
Генетики получили полные геномы 6 видов человекообразных обезьян Генетики получили полные геномы 6 видов человекообразных обезьян

Ученые секвенировали полные геномы шести видов человекообразных обезьян

ТехИнсайдер
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
Зуб мудрости: удалять нельзя оставить Зуб мудрости: удалять нельзя оставить

Все «за» и «против» удаления зубов мудрости

Здоровье
Соль земли Соль земли

Зимнее путешествие по Пермскому краю: ледяная пещера, Чердынь и виды Колвы

Отдых в России
Эффект Дидро: почему одна покупка тянет за собой другую, и как перестать тратить лишнее? Эффект Дидро: почему одна покупка тянет за собой другую, и как перестать тратить лишнее?

Почему мы попадаем в ловушку эффекта Дидро?

VOICE
Премьеры отменяются Премьеры отменяются

Темпы выхода новых проектов девелоперов замедляются

Деньги
«Ночные кошмары: Нарушения сна и как мы с ними живем наяву» «Ночные кошмары: Нарушения сна и как мы с ними живем наяву»

Что науке известно о галлюцинациях, связанных со сном

N+1
Стоят ли дорогие фены своих денег: мнение парикмахеров Стоят ли дорогие фены своих денег: мнение парикмахеров

Нужен ли тебе фен за тридцать три, а не за три тысячи рублей? Давай разбираться!

VOICE
Почему галактики закручиваются в спирали: ученые изучили механизмы формирования звездных скоплений Почему галактики закручиваются в спирали: ученые изучили механизмы формирования звездных скоплений

Какие модели образования спиралевидных галактик выделяют учены?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении