Жизнь на земле держится всего на четырёх атомах марганца
Как растения создают кислород? Задачка для школьного книжки, как думается. Если вы думаете, что механизм фотосинтеза растолкован полностью, то вы ошибаетесь.
Оказывается, природа ещё хранит в тайне самый важный момент в этом многоступенчатом ходе.
Разгадать данный секрет пробуют биохимики из американской национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).
«Комплекс марганца произвел целый кислород, от которого зависят сегодняшние формы судьбы, — говорит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программу изучения неповторимого биологического механизма называющиеся „производящий кислород комплекс“ (oxygen-evolving complex — OEC). — Это поменяло курс развития всей жизни».
Учёный подразумевает, что два с половиной миллиарда лет назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то наткнулись на метод разрушать воду на водород и молекулы кислорода, и кислород в первый раз начал накапливаться в воздухе.
Страно. За прошедшие миллиарды лет жизнь претерпела сложнейшую эволюцию — лишь сердцевина процесса фотосинтеза осталась полностью неизменной — всего пара па из сложного танца ионов, электронов и фотонов — средоточие неприятности существования судьбы на планете.
Что же это за комплекс OEC? Тут нам нужно будет совершить мини-путешествие, подобное тому, что выпало на долю сказочного храбреца, что искал смерть Кощея.
Неспециализированная схема фотосинтеза и один из предполагаемых вариантов структуры OEC (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Итак, мы имеем зелёный лист, в которого имеется клетки, в которых находятся органоиды по имени хлоропласты. Наличие накапливающего световую энергию хлорофилла опустим для простоты. Мы идём ещё глубже.
У хлоропластов имеется так именуемые тилакоидные мембраны.
На этих мембранах закреплены огромные группы сложных белков. Таких групп две — «фотосистема I» и «фотосистема II» (PSI и PSII). А в недрах PSII находится комплекс OEC, без которого фотосинтез был бы неосуществим — это собственного рода игла, до которой современные биологи так и не добрались.
Что же эта игла делает? Она раскалывает воду на молекулы кислорода, свободные электроны и ионы водорода, применяя энергию света.
Тут-то мы и подходим к острию изучений фотосинтеза — как как раз OEC проворачивает собственный фокус и как фактически данный комплекс выглядит.
Известно уже много. К примеру, состав комплекса — в его основе лежат четыре иона марганца, один ион Ca, и пара атомов кислорода (не тех, что мы будем «создавать», разлагая воду, а внутренних, неразменных).
Но, увы, их обоюдное размещение, как и подробности сотрудничества со водой и светом — пока не поддались открывателям прочих уток и ларцов.
Какие конкретно лишь способы тут ни использовали (и используют) — и разные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу вторых способов посмотреть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.
Но уже удалось выяснить, что создание молекулы кислорода идёт в пара шагов. Наряду с этим OEC действует, как конденсатор — поэтапно накапливает заряд, дабы позже одним скачком разрядиться и направить эту энергию для синтеза кислорода.
Цикл превращений группы атомов марганца (иллюстрация с сайта lbl.gov).
У комплекса существует пять состояний — от S0 до S4. В S0 два из четырёх ионов марганца имеют хороший заряд в четыре единицы (это ионы MnIV), тогда как другие два иона имеют заряд плюс три (MnIII) и плюс два (MnII) соответственно.
Первые три шага (от S0 до S3) — это последовательный захват квантов света с освобождением электронов, в следствии чего комплекс преобразовывается уже в комплект одного MnIII и трёх MnIV (плюс, само собой разумеется, кальций и кислород).
Наряду с этим один из атомов кислорода, из состава комплекса, кроме этого теряет электрон.
Что дальше — неизвестно. ясно лиш, что происходит ещё два шага — S3-S4 и возврат: S4-S0. В следствии чего комплекс перепрыгивает в исходное состояние, а вода, попадающая в пределы фотосистемы II, разлагается на ион водорода и нейтральный кислород.
Высвобождённые в течение всех этих шагов электроны транспортируются в соседнюю протеиновую совокупность PSI, где участвуют в долгой цепочке химических реакций, приводящих к росту растения и усвоению углерода.
Как как раз комплекс раскалывает воду и формирует сообщение двух атомов кислорода — до тех пор пока тайна.
Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её очень интересным образом.
Сперва они идут в супермаркет и берут пакеты со свежим шпинатом.
Растение размалывают в жидкую кашицу, разбавляют и помещают раствор в установку.
Выясняется, кроме того в таком виде, в то время, когда структура растения практически уничтожена до основания, молекулярные комплексы OEC ещё «живут» и сохраняют свойство к синтезу кислорода из воды.
В установке царит непроглядная тьма. Но вот учёные дают маленький импульс лазерного света. Несколько атомов OEC перескакивает из нулевого состояния в первое.
Но вот дальше происходит заминка — новых порций фотонов-то нет.
Тогда исследователи замораживают раствор и помещают его в установку магнитного резонанса либо установку рентгеновской кристаллографии.
После этого, записав итог опыта, учёные опять возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера — для перевода совокупности в следующее состояние. И без того потом.
Комбинируя все вероятные эти, экспериментаторы составляют карты электронной плотности — и пробуют осознать обоюдное положение атомов в комплексе и их сотрудничество.
На дне океана находят нужные ископаемые, которые содержат комплексы кислорода и марганца, напоминающие OEC. Быть может, древние бактерии на первых порах применяли подобные соединения для облегчения фотосинтеза (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Как уже говорилось выше, разным группам исследователей это частично удалось, но все до тех пор пока споткнулись на состоянии S3. Образно говоря, в отечественной иголке, что хранилась в утином яйце, удалось рассмотреть ушко а также среднюю часть, а самое-самое остриё так же, как и прежде не видно.
Вот незадача — кроме того пространственная структура OEC на данный момент существует только в виде гипотетических вариантов. Чтобы рассмотреть остриё иглы существующим способам кристаллографии, не достаточно разрешающей свойстве. Необходимо поднять её ещё мало.
Этот последний и самый тяжёлый ход пробуют сделать в Беркли. Учёные говорят, что близки к разгадке, очень ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.
Вот тогда возможно будет свысока наблюдать на все прошлые опыты с фотосинтезом, а заодно — с созданием разнообразных фотоэлектрических панелей.
Так как в руках у человечества окажется сокровенная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.
И производство водорода (для применения в качестве горючего) из воды станет лёгким, и возможно будет создавать неестественные деревья, не только поглощающие парниковые газы, но и производящие живительный кислород.
Как это может кардинально поменять развитие цивилизации, её взаимоотношения с природой — страшно даже подумать.
Страно, что речь заходит всего-то о нахождении обоюдного размещения и механизме сотрудничества нескольких атомов в комплексе OEC — практически — в единственной молекуле с химической формулой Mn4O4Ca.
