Вот уже более ста лет человечество использует тепловые двигатели, коэффициент полезного действия которых очень низок. И дело здесь не в неэффективности экспериментальных установок или технологии, а в фундаментальных законах термодинамики, бороться с которыми невозможно. В условиях ограниченности полезных ископаемых и растущих энергозатрат поиск альтернативных источников энергии как никогда актуален.
Один из путей решения этой проблемы – поиск эффективных механизмов получения энергии в природе. В частности, таким перспективным процессом является фотосинтез – синтез органических веществ с выделением кислорода с помощью солнечного света и специального пигмента – хлорофилла. Но для использования этого процесса в своих целях человеку необходимо детально изучить его природу на самом высоком уровне.
На этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences опубликована статья, в которой рассказывается об определении важных энергетических характеристик одной из стадий фотосинтеза – процесса расщепления воды. О ходе и результатах работы корреспонденту «Газеты.Ru» рассказал ее автор, доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН Сулейман Аллахвердиев.
— В чем принципиальная важность детального изучения фотосинтеза?
— Природа создала механизм преобразования солнечной энергии в химическую энергию, связанный с фиксацией углекислого газа, расщеплением воды и выделением кислорода. Этот процесс называется фотосинтезом. Именно ему мы обязаны жизнью, поскольку именно фотосинтез обеспечивает землю кислородом, а благодаря фиксации углерода у нас имеется нефть, газ, торф, древесина. Все это – продукты фотосинтеза.
Задача ученых — понять, каковы молекулярные механизмы этого секрета природы. Если разобраться в них до мельчайших деталей, то можно будет создать искусственную технологию преобразования энергии Солнца на основе фотосинтеза и получать электричество, минуя РАО ЕЭС, а также молекулярный водород, годный для топлива. Фотосинтез куда эффективнее современных способов получения энергии, даже использующих возобновляемые источники.
Для сравнения: при светозависимой стадии фотосинтеза коэффициент преобразования света равен 95%, а этот показатель для современных солнечных батарей в среднем равен 15%.
Сотрудники Массачусетского технологического института нашли способ преобразования света в электричество с помощью механизма фотосинтеза, который природа уже несколько миллиардов лет использует для получения энергии. Недавно ученые создали прототип элемента, способный генерировать электричество при помощи растительных белков. В качестве реагента используются протеины, выделенные из хлоропластов обычного шпината.
Такая «шпинатная» батарея способна преобразовывать в электричество до 12% падающего на нее света, а ученые обещают довести это значение до 20% в самое ближайшее время за счет использования нескольких протеиновых слоев.
До сих пор ученые изучали фотосинтез в основном на высших растениях, которые используют в качестве светособирающих антенн хлорофилл а и b. Не так давно возникла идея использовать другие модельные объекты — цианобактерии, которые не содержат хлорофилл b, а следовательно, являются более простыми объектами для изучения.
Цианобактерии появились на земле примерно 3,5 млрд лет назад.
Именно им как основным древним фотосинтетическим машинам мы и обязаны кислородной атмосферой (и до сих пор обязаны, поскольку до 60% кислорода в современных условиях производится океаническим фитопланктоном, в основном состоящим из цианобактерий).
В 1996 году был открыт новый вид цианобактерии – Acaryochloris (А – без; caryo – ядро; chloris – зеленый, «безъядерная зелень»), у которой светособирающие антенны почти полностью (на 95%) состоят из хлорофилла d. Эти хлорофиллы а и d представляют собой тетрапирролы с координированным двухвалентным магнием посредине, мало отличающиеся структурно, но имеющие разные максимумы поглощения. Если хлорофилл а поглощает в видимой области спектра, то хлорофилл d – в инфракрасной, длинной области спектра. Эволюционно такой сдвиг оправдан, поскольку Acaryochloris обитает на глубинах, под основной массой фитопланктона, поглощающего сильный, но «короткий» свет. Этим же цианобактериям достаются длинные волны, глубоко проникающие в толщу воды.
Удивительным в данном случае является то, что эффективность фотосинтеза примерно одинакова у цианобактерии Synechocystis, обитающей на поверхности воды и использующей для фотосинтеза сильный свет видимой области, и у Acaryochloris, живущей на глубине и использующей инфракрасный свет низкой интенсивности.
— Что было сделано в ходе данной работы?
— Известно, что для эффективного процесса расщепления воды и выделения кислорода нужна значительная энергия (около 1.2 эВ?).
Эффективность фотосинтеза определяется рядом механизмов, создающих высокий окислительный потенциал в реакции окисления воды.
В этом деле очень важна разность потенциалов, создаваемая при возбуждении первичного донора – димера хлорофиллов — и первичного акцептора электронoв, которым в обоих случаях служит феофитин (хлорофилл, в котором отсутствует магний). В данной работе нам удалось определить редокс-потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) феофитина в обычных условиях (рН 7,0, температура 25°C). Выяснилось, что при разной энергии поглощения хлорофилла а (1,82 эВ) и хлорофилла d (1.74 эВ) редокс-потенциалы первичного акцептора феофитина тоже разные (-536 мВ и -478 мВ соответственно). При этом энергия переноса с возбужденной формы первичного донора на первичный акцептор одинакова в обоих случаях и составляет примерно 80 мВ.
Это зависит от первичной аминокислотной последовательности белка D1, с которым взаимодействует феофитин, а также от других факторов, которые еще предстоит изучить. Таким образом, меняя структуру D1, или светособирающего комплекса, сдвигая в ту или иную сторону максимумы поглощения светособирающих антенн, сохраняя при этом постоянной разницу потенциала между возбужденной первичным донором и первичным акцептором электрона,
мы можем приспособить фотосинтез под свои нужды.
Знание полных нуклеотидных последовательностей геномов разных организмов и структуры основных компонентов, принимающих участие в расщеплении воды и выделении кислорода, позволяет с помощью генетических манипуляций создавать гибридные искусственные системы по образу и подобию фотосинтеза. Открытие длинноволновой системы восприятия света, возбуждения и передачи электрона в фотосинтетической цепи и принципа ее работы расширяет возможности использования световой энергии (теперь – и низкой интенсивности!) для получения электричества, a также молекулярный водород и кислород при расщеплении воды в качестве неиссякаемого источника энергии для планеты.
— Расскажите, пожалуйста, о коллективе ученых, проводивших эту работу.
— Данная работа проведена российскими биологами из Пущино (Институт фундаментальных проблем биологии РАН, бывший Институт фотосинтеза) в соавторстве с коллегами из Японии.
ИФПБ – ведущий центр по исследованию фотосинтеза в мире.
Руководит институтом всемирно известный исследователь первичных процессов фотосинтеза (на фемтосекундном (1 фемтосекунда = 10-15 секунды) временном разрешении разделения зарядов), академик РАН Владимир Анатольевич Шувалов. Работы в области первичных процессов там поставлены на самом высоком уровне. В настоящее время все более активно внедряются методы молекулярной биологии и биоинженерии. Институт активно сотрудничает с учреждениями из США, Канады, Швеции, Германии, Великобритании, Голландии, Японии.
Я сам работаю с японскими коллегами с 1989 года. Сначала работал в Национальном институте общей биологии, а в настоящее время веду сотрудничество с Токийским и Киотским университетами, Институтом молекулярных наук, в том числе и по проблеме конструирования искусственных фотосистем.
За время совместной работы у нас вышел ряд совместных статей и обзоров в ведущих международных журналах (PNAS, EMBO J., Plant Physiology и других). Я также сотрудничаю с зарубежными коллегами из Канады, Швеции, Германии, Сингапура, Испании, Индии, Турции и являюсь членом редакционных коллегий нескольких ведущих международных журналов: BBA (Bioenergetics), International Journal of Hydrogen Energy, Journal of Photochemistry and Photobiology. B., The Open Structural Biology Journal.