|
Оглавление
Любимой жене, верному другу, постоянному помощнику – Ноне Львовне Комиссаровой (Арбатской) автор посвящает эту книгу Предисловие
На вопрос моих знакомых: "Чем занимаешься?" я в течение 40 лет неизменно отвечаю: "Фотосинтезом". После этого на лице спрашивающего появляется выражение, которое расшифровывается примерно так: "Как можно так долго заниматься одним и тем же?" Мне кажется, что у читателя, который пролистает эту книгу, по поводу масштаба и широты проблемы останется другое мнение. Действительно, в настоящее время при изучении фотосинтеза оперируют временами от 10–15} с (электронные переходы в молекуле хлорофилла при поглощении кванта света) до 1017 с (эволюционные аспекты фотосинтеза). В этой работе мы ограничились процессами, протекающими во временных интервалах – 10–9–105 с (эксперименты, выполненные в лаборатории автора) и – 10–9–1017 с – при обсуждении собственных и литературных данных. По словам академика В.В.Воеводского, исследователь, занимающийся какой-либо научной проблемой, как бы находится внутри своеобразной воронки. В ней всегда есть узкое место (горловина), в котором заключена суть решаемой проблемы. Мне повезло, поскольку в горловину воронки фотосинтеза я попал еще будучи студентом химического факультета МГУ. В 1960 году на биологическом факультете мне удалось прослушать семестровый курс лекций академика А.А.Красновского "Биофизика фотосинтеза". После успешно сданного экзамена состоялась краткая беседа с лектором, в которой он поддержал мое мнение, что центральной проблемой фотосинтеза является механизм разложения воды. С тех пор эта область стала доминантой моих исследований, которым и посвящена настоящая книга. В ней, кроме результатов, опубликованных в наших статьях, отражен ряд положений, выдвинутых в тезисах международных и внутрисоюзных (российских) конференций, а также в многочисленных докладах, прочитанных в Институте химической физики имени Н.Н. Семенова РАН, Институте почвоведения и фотосинтеза РАН, на химическом, физическом и биологическом факультетах МГУ, Институте биохимии имени А.И. Опарина РАН, Физическом институте РАН, Институте общей физики РАН и других институтах нашей страны и за рубежом. Книга не претендует на упоминание последних результатов во всех областях фотосинтеза (по этой теме выходит несколько сот работ в месяц). Заинтересованному читателю не составит труда найти их в библиотеках, интернете или в книжных магазинах. Публикации же, имеющие непосредственное отношение к рассматриваемому вопросу, достаточно подробно обсуждаются на ее страницах. В силу специфики нашей работы, мы обращались к журналам химического, физического и биологического направлений. Иногда цитируются работы геологов, не имеющие прямого отношения к фотосинтезу, но важные, с нашей точки зрения, для понимания затронутых проблем. Хотелось бы, чтобы читателем этой книги стал исследователь, стремящийся с физико-химических позиций понять механизм фотосинтеза. Мы старались избегать использования специфических фотосинтетических терминов, непонятных неспециалистам и заставляющих их благоговейно трепетать из-за их обилия. Как отмечает писатель З.Е.Журавлева: "В родном языке нас подстерегают две главные опасности: штампы-клише, исключающие работу мысли, и бурно прогрессирующее наукообразное бормотание, прикрывающее всю ту же пустоту вязью профессиональных терминов" ("Прелесть и коварство языка", Тезисы V международной конференции серии "Нелинейный мир", Астрахань, 2000, C.82). Научные работники, интересующиеся механизмом фотовольтаического эффекта в пленках органических пигментов, физиологией растений, экологией, космонавтикой (в частности, проблемой создания условий жизнедеятельности на космических станциях), проблемами происхождения жизни и хиральности, преобразования солнечной энергии, найдут в книге новые сведения. Сердечно благодарю сотрудников и аспирантов лабораториифотобионики Института химической физики РАН Г.С.Авакянца,А.Г.Алешкина, Л.М.Апашеву, И.Б.Дмитриева, С.Л.Жильцова,В.А.Илатовского, А.В.Лобанова, И.А.Ноговицына, Н.Г.Подойницына, Г.А.Птицына, А.Ромеро и Ю.С.Шумова (в настоящее время – сотрудника ИБХФ РАН), внесших основной вклад в экспериментальные результаты, представленные в книге, а также за помощь в ее техническом оформлении. Благодарю также многочисленных бывших дипломников и аспирантов (большей частью, физического факультета МГУ и МФТИ) за решение поставленных перед ними задач. Особую благодарность выражаю руководителю Отдела динамики химических и биологических процессов Института химической физики РАН академику А.Л.Бучаченко за поддержку, полезные советы и дружескую критику. С большой благодарностью я вспоминаю зарубежные встречи и обсуждение проблем с проф. Х.Метцнером, проф. К.Вацеком, проф. Х.Виттом, проф. Г.Ренгером, проф. В.Юнге, проф. Т.Ферстрером, проф. Х.Крамером, проф. Х.Фильштихом и другими. Выполнению экспериментов в последние годы способствовала финансовая поддержка РФФИ, который мы благодарим (гранты N N94—04972а, 95–03–08982а, 96–0334064а, 98–03–32061а, 00–15–97404). Книга издана на средства издательского проекта РФФИ N02–03–. Сердечно благодарю анонимных рецензентов РФФИ за положительную оценку моей работы. Введение
В последние годы в изучении механизма фотосинтеза наблюдается все большая дифференциация. Программы международных фотосинтетических конгрессов составлены таким образом, что докладчику необходимо представить свое сообщение в определенную секцию, число которых достигает нескольких десятков. Безусловно в этом дроблении проблемы фотосинтеза есть положительная сторона. Каждый исследователь специализируется в своей узкой области, повышается его квалификация, отрабатываются новые методические подходы и т.д. Однако это деление имеет, на мой взгляд, и отрицательные последствия, особенно для молодых людей, которых со студенческих лет приучают к определенному фотосинтетическому ареалу, в рамках которого предполагается его будущее развитие. Самое негативное в этом разделении – то, что исследователи различных областей перестают понимать друг друга, а зачастую и не стремятся к этому. Возникает еще одна опасность. Фундаментальные положения фотосинтеза, например, основное уравнение процесса, принимаются как незыблемые, их не пытаются подвергать сомнению. Возникает странная ситуация. С одной стороны, можно услышать мнение, что проблема фотосинтеза решена, и осталось уточнить лишь некоторые детали (определить ту или иную константу, уточнить молекулярный вес того или иного белка и т.д.). С другой стороны существует и такое крайне удивительное высказывание, что фотосинтез будет понят только через 50–100 лет, а, может быть, и никогда. В предлагаемой читателю книге подход к проблеме фотосинтеза основывается на его физико-химическом моделировании, то есть, попытках создать искусственные системы, воспроизводящие в той или иной степени состав, структуру и/или функцию природных фотосинтезирующих систем. Есть такое изречение: "Если очень долго и внимательно смотреть на хвост рыбы, можно понять строение Вселенной". Мы в какой-то мере последовали этому совету: долго и очень систематично изучали (и продолжаем изучать) наши физико-химические модели. Это позволило получить некоторые принципиально новые результаты, которые заставили автора пересмотреть основное уравнение фотосинтеза (не подвергавшееся сомнению более 60 лет) и внести в него две существенные поправки. Как мы пришли к такому результату? Ответ на этот вопрос Вы найдете в книге. В первой главе читатель кратко знакомится с историей открытия и изучения фотосинтеза, его значением, с предпринятыми нами попытками моделирования фундаментального биологического процесса (моделирование структуры фотосинтетического аппарата и одной из его основных функций – светового выделения кислорода). Вторая глава посвящена изложению экспериментальных и теоретических данных, полученных в лаборатории фотобионики Института химической физики имени Н.Н.Семенова РАН при изучении механизма фотовольтаического эффекта в пленках пигментов, контактирующих с электролитом. Полученные в ходе этих работ результаты использованы при создании гипотетических схем фотосинтетического разложения воды. Особое значение имел для нас тот факт, что в процессе генерации фототока в фотовольтаических системах, как выяснилось, активное участие принимает пероксид водорода. Сравнительному изучению кинетики выделения кислорода в модельных и природных системах посвящена третья глава. В ней обосновано принципиально новое положение, выдвинутое автором. Согласно ему источником кислорода (водорода) при фотосинтезе является не вода, а экзо- и эндогенный пероксид водорода. В четвертой главе рассмотрена роль тепловой энергии в фотосинтезе и некоторые следствия, вытекающие из новой концепции фотосинтеза (ускорение роста растений, новый подход к преобразованию солнечной энергии, проблема происхождения жизни и др.). Таково кратко содержание книги. Заключение
Сущность земли – вода. Сущность воды – растения.
Сущность растений – человек.
Чхандогья упанишада Исследования, представленные в книге, можно разделить на три основные направления. Поиск, обоснование и создание модели, способной к разложению воды под действием солнечного света. Изучение механизма фотовольтаического эффекта в пленках органических пигментов, контактирующих с одной стороны с электролитом, а с другой – с металлом. Обоснование новой концепции фотосинтеза, согласно которой источником кислорода (водорода) служит не вода, а экзо- и эндогенный пероксид водорода. Основное уравнение фотосинтеза должно, по нашему мнению, включать не только световую, но и тепловую энергию. Следует отметить, что исследования в каждом из этих направлений проводились и проводятся практически одновременно. Однако, сейчас наше основное внимание сосредоточено, естественно, на третьем направлении, хотя весьма интенсивно развивается и второе (особенно в связи с поиском новых типов солнечных преобразователей). Не забыты работы и по первому направлению, но они трансформировались в поиск моделей, способных воспроизвести не только световую, но и темновую стадию фотосинтеза. Остановимся на каждом из перечисленных выше пунктов более подробно. 1. До наших работ считалось, что лишь растения или их структурные элементы способны под действием света разлагать воду с выделением молекулярного кислорода. На первом этапе наших исследований мы стремились лишить уникальности процесс фотосинтеза, то есть создать такую модель, которая бы воспроизводила бы световую стадию фотосинтеза. Это целенаправленное движение сказалось на стиле исследования. Так, некоторые новые и интересные эффекты, обнаруженные в ходе работ оказались малоизученными, поскольку детальное выяснение их природы отвлекало от движения к основной цели. Сказанное относится, например, к обнаруженным колебаниям тока в пленках каротина, парамагнетизации адсорбированного хлорофилла и др. Интересно, что начало наших работ (диплом и аспирантура на кафедре физической химии Химфака МГУ под руководством проф. Н.И.Кобозева и проф. Л.И.Некрасова) связано с изучением магнитных свойств хлорофилла и каротина. Сейчас же, по прошествии 40 лет, мы с надеждой обращаемся к магнитным методам, получившим стремительное развитие в последние годы [1, 2]. С помощью теоретических положений и технических приемов, разработанных в области магнитных и спиновых эффектов, на наш взгляд, будет осуществлен прорыв в понимании первичных стадий фотосинтеза. Отметим, что предложенные и изученные модельные системы можно рассматривать с двух позиций. С биологической точки зрения эти системы чрезвычайно просты. С химической и физической точек зрения исследованные системы весьма сложны. Естественно, структура и состав предложенной и реализованной нами батареи (функциональной модели хлоропласта) очень далеки от соответствующих характеристик фотосинтетического аппарата листа. Поэтому на первый взгляд кажется, что сопоставление свойств батареи и хлоропласта представляется необоснованным. Однако, при более глубоком анализе можно обнаружить определенную общность между модельной и природной системами. Действительно, как в хлоропласте, так и в батарее в качестве исходного вещества используется вода, а сенсибилизатором процесса является хлорофилл, либо его синтетический аналог – фталоцианин. Обе системы при освещении видимым светом способны к выделению газообразного кислорода из воды. Максимальное значение квантового выхода наблюдается при 1–2-слойном покрытии фталоцианином поверхности токосъемного электрода. Для мембран хлоропласта также характерно 1–2-слойное покрытие молекулами хлорофилла. В батарее кинетические кривые фототока воспроизводят кинетические кривые выделения О2 в хлоропласте. Подобные примеры можно продолжить. Естественно, что процессы, происходящие в фотовольтаической батарее не тождественны процессам в хлоропласте. Однако, нельзя отрицать, что батарея способна выполнять одну из функций хлоропласта, то есть моделировать его функционально. Острота обсуждения этого вопроса, в настоящее время представляющего лишь исторический интерес, в последние годы значительно ослабла, особенно после появления работ зарубежных ученых, которые также использовали фотовольтаические батареи для моделирования фотосинтеза. В связи с этим уместно привести высказывание Дж.Бимента [3]: "модель должна обязательно отличаться от оригинала в определенных отношениях, и ценность ее в значительной степени зависит от того, насколько велико упрощение, к которому приводит намеренное отклонение от оригинала". Изучение функциональной модели хлоропласта было, на наш взгляд, весьма продуктивным. Например, установлено, что пленка пигмента на токосъемном электроде имеет пористую структуру. Это послужило отправной точкой для создания структурно-функциональных моделей природных кислородвыделяющих комплексов. Методом модулированной амперометрии была обнаружена способность хлорофилла, нанесенного на носители различной природы (полиэтилен, сефадекс и др.) к фотостимулированному выделению кислорода. Добавление к этим системам окислителей Хилла {K3 Fe(CN)6, K3Fe(C2O4)6} в концентрации 10–4 М приводило к увеличению наблюдаемого эффекта почти в два раза с одновременным увеличением ресурса работы системы. Было установлено также совпадение зависимости амплитуды модулированного фотоотклика от величины поляризации платинового электрода для модельных и природных (хлорелла) систем. При этом было отмечено, что полученные результаты требуют подтверждения масс-спектроскопическим методом. Поскольку выделение кислорода было незначительным (чувствительность установки – 10–15 моль О2/с) масс-спектроскопическое изучение представляло определенные трудности. В настоящее же время мы считаем, что модельные (да и природные) системы под действием света разлагали пероксид водорода, образующийся при восстановлении кислорода на поверхности платинового электрода. В результате выполненных нами работ задача моделирования световой стадии фотосинтеза радикально упростилась. Она свелась к разложению пероксида водорода, что легко может быть реализовано школьником, освоившим основы химии. 2. Изучение фотовольтаического эффекта было начато нами в 1964 году и до сих пор продолжается в нашей лаборатории. За это время накоплен большой экспериментальный и теоретический материал, представленный в 4-х докторских диссертациях. Это направление наших работ характеризуется четко выраженной систематичностью. Было изучено влияние на фотовольтаические характеристики природы электролита, состава и структуры пленки пигмента, природы токосъемного электрода и т.д. Подобного целенаправленного изучения не было и, судя по опубликованным данным, нет в мировой литературе. Методические находки и сконструированные нашими сотрудниками, аспирантами и дипломниками установки позволили выявить ряд неизвестных ранее закономерностей в формировании фотоотклика в пленках органических полупроводников, контактирующих с электролитом. Коротко отметим лишь наиболее важные из них. По литературным данным варьирование параметров пленок, используемых при изучении эффекта Беккереля, достигает 500–600%. В нашей лаборатории разработаны методы напыления пленок фталоцианина, в которых эта характеристика снижена до 16–12%, что дало возможность изучить влияние природы центрального атома металла и заместителей в кольце на величину фототока, а также выполнить ряд других исследований. Проведенные работы позволили выделить три основных типа эффекта Беккереля, различающихся структурой пигментной пленки и – как следствие этого – механизмом генерации фототока, причем его величина и кинетические параметры различаются на несколько порядков. Наиболее наглядно успехи в изучении механизма фотовольтаического эффекта можно продемонстрировать на примере достигнутых величин квантового выхода фототока в пленках фталоцианина. В первоначальном варианте (1967 год) он не превышал 0,01%. Затем его удалось поднять до 5,6% (1978 год) и далее – до 30% (1990 год). Другими словами, в ходе изучения механизма эффекта Беккереля удалось увеличить значение квантового выхода на 3 порядка. В настоящее время мы сосредоточили свои усилия на использовании пленок Блоджетт–Лангмюра, содержащих порфирины (в том числе и хлорофилл) для выяснения механизма генерации тока в этих системах. Весьма успешно идут начатые нами работы по приготовлению "живых электродов", то есть использованию водорослей и бактерий, закрепленных на электроде, для генерации фототока. В дальнейшем планируется также использовать порфирины, химически связанные с хинонами и др. Это позволит подойти к изучению фотовольтаических свойств пленок, составленных из молекул, содержащих донорные и акцепторные фрагменты. 3. При обосновании новой концепции фотосинтеза, к которой нас подвели все предшествующие исследования, выполненные в лаборатории, мы исходили из следующего. Фотосинтез (точнее, его световая стадия – выделение кислорода) в основе своей является относительно простым физико-химическим процессом, хотя и происходящим в весьма сложной биологической системе. Как нам представляется (и для этого есть ряд доказательств), пигменты хлоропласта являют собой весьма автономную систему, назначение которой сводится, прежде всего, к поглощению света (отсюда – интенсивная окраска пигментов) и трансформации его в химическую энергию. При действии света в хлоропласте возникает избыточное количество протонов, что обеспечивает возможность протекания ферментативных реакций, приводящих к синтезу углеводов. Проведенный нами литературный анализ, данные, полученные в нашей лаборатории, убедительно свидетельствуют, что источником кислорода (водорода) при фотосинтезе является экзо- и эндогенный пероксид водорода. Вода выступает в роли, которая отводится растворителю в обычных химических реакциях. Естественно, что протоны воды могут принимать участие в формировании эндогенного пероксида водорода. Однако проблема разложения (окисления) воды для нас теперь не является актуальной, так как в хлоропласте (в цитоплазме) количество Н2О2 ("окисленной воды" – так первоначально был назван пероксид водорода) таково, что позволяет объяснить наблюдаемую на опыте интенсивность выделения кислорода. Установлено, что на каждую молекулу хлорофилла, включая молекулы антенны, приходится одна молекула пероксида водорода. Если в системе присутствуют Н2О2 и Н2О, то разложению под действием света будет подвергаться пероксид водорода. Мне очень понятна реакция моих критиков (в основном анонимных), которые до сих пор не могут себе представить, что не вода, а пероксид водорода является источником кислорода, выделяющегося при фотосинтезе. Прежде чем опубликовать первое научное сообщение, мне потребовалось 12 лет, чтобы психологически подготовиться к этому. Справедливости ради следует отметить, что подобная реакция на мои работы не является для меня новостью. Аналогично (а, может быть, еще более критично) были встречены мои работы, в которых утверждалось, что хлорофилл на ранних стадиях зеленения этиолированного листа находится в агрегированном состоянии. Та же реакция сопровождала появление наших работ по функциональному (фотобатарея) и структурно-функциональному (хлорофилл на носителях) моделированию фотосинтеза. Введенные нами представления о локальном разогреве в хлоропласте также были первоначально встречены с большим скептицизмом. Можно вспомнить, как во время доклада на международном биофизическом конгрессе, когда была предложена схема выделения фотосинтетического кислорода, в которой фигурировали ОН радикалы и Н2О2, меня перебил своими возражениями один очень уважаемый фотосинтетик. Что же осталось от этих возражений сейчас? Они ушли в прошлое, не изменив моих взглядов, которые позднее получили подтверждение в других работах и теперь их можно встретить в статьях ряда авторов. Та же участь, как я полагаю, постигнет и те критические замечания, которые сейчас выдвигаются против возможности участия пероксида водорода в фотосинтетическом выделении кислорода. Напомню, что до 1941 года среди фотосинтетиков доминировала точка зрения, согласно которой источником кислорода является диоксид углерода. Затем (см. работы А.П.Виноградова, С.Рубена, В.М.Кутюрина и др.) почти все исследователи фотосинтеза пришли к заключению, что кислород образуется в результате разложения воды. Однако, некоторые ученые не приняли окончательно эту точку зрения (см. например, критическую статью Х.Метцнера "Разложение воды при фотосинтезе?" [4]). Не повторяя тех доводов в пользу обоснования пероксида водорода как источника кислорода при фотосинтезе, которые были приведены в книге, хочу отметить еще одно обстоятельство. Участие пероксида водорода в фотосинтетическом генерировании кислорода гораздо вероятнее, чем участие воды, не только с физико-химических позиций (сравнение потенциалов разложения, термическая устойчивость и др.), но и позволяет объяснить целесообразность ряда физиологических процессов, которые сопровождают фотосинтез. Так, при интенсивно идущем фотосинтезе митохондрии (генераторы Н2О2) и хлоропласты сближаются. Транспирация (испарение воды растением) в физиологической литературе рассматривается как "неизбежное зло", от которого пытаются избавиться, но это не удается. В рамках наших представлений транспирация прежде всего необходима для концентрирования экзогенного пероксида водорода. Аналогичная ситуация характерна и для процесса фотодыхания, с которым физиологи безуспешно борются, но не могут от него избавиться. Введенные нами представления свидетельствуют о том, что растение аккумулирует не только световую, но и тепловую энергию. Роль последней особенно велика в фитоцинозах, где освещенность листьев в силу взаимного затенения довольно низка (в отдельно стоящих деревьях взаимное экранирование листьев также велико). Это позволяет с новых позиций подойти к объяснению того факта, что интенсивность фотосинтеза при слабом освещении почти на порядок выше, чем при интенсивном. Растение представляет собой организм, стремящийся к активному поглощению диоксида углерода и пероксида водорода для чего использует не только световую, но и тепловую энергию. Если для захвата первого соединения растению необходим, в основном, приток воздуха, то для улавливания второго – необходим приток не только воды, но и воздуха, из которого растения используют необходимый для дыхания (и генерирования экзогенного Н2О2) кислород. Коротко отметим некоторые перспективы, которые следуют из предложенной нами концепция фотосинтеза: 1) открываются новые подходы к управлению физиологическими процессами растений (ускорение роста, повышение продуктивности); 2) значительно упрощается реализация искусственного фотосинтеза; 3) проблема возникновения жизни как на Земле, так и на других планетах, может быть рассмотрена с новых позиций; 4) необходим пересмотр существующих представлений о возможности использования растений для регенерации атмосферы в замкнутых объемах; 5) появляются новые подходы к проблеме преобразования солнечной энергии. В заключение упомянем, что изложенные в книге многолетние работы
по моделированию и изучению механизма фотосинтеза были
использованы нами при формулировании и компьютерном анализе
модели, в которой в обобщенном виде рассмотрен процесс
оптимального поиска решения исследователем научной задачи [5].
Бучаченко А.Л. // Теорет. и экспер. химия, 1995, 31, 144. Бучаченко А.Л. // Усп. химии, 1999, 68 (2), 99. Бимент Дж. // Моделирование в биологиию. М.: ИЛ., 1963. Metzner H. // J. Theoret. Biolog., 1975, 51, 201. Комиссаров Г.Г., Авакянц Г.С., Мазо М.А. Тезисы докл. V Межд. конф. "Нелинейный мир". Астрахань, 2000, 110. Об авторе
Г.Г.Комиссаров – известный ученый в области физико-химического моделирования фотосинтеза и изучения его механизма. Автор более 100 публикаций. Он читал курс "Биофизика фотосинтеза" на физическом факультете Московского государственного университета и в Московском физико-техническом институте, награжден медалью Карлова университета в Праге за содействие в создании кафедры химической физики. Им предложена оригинальная концепция фотосинтеза, которая открывает новые подходы к физиологии растений, проблемам происхождения жизни, преобразования солнечной энергии и др. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||