Цивилизация
Фотосинтез лежит в основе всей жизни на нашей планете. Этот процесс, идущий в наземных растениях, водорослях и многих видах бактерий определяет существование практически всех форм жизни на Земле, преобразуя потоки солнечного света в энергию химических связей, которая затем уже шаг за шагом передается к вершинам многочисленных пищевых цепочек.
Скорее всего, этот же процесс в свое время положил начало резкому увеличению парциального давления кислорода в атмосфере Земли и снижению доли углекислого газа, что в конечном итоге привело к расцвету многочисленных сложно организованных организмов. И до сих пор, по мнению многих ученых, только фотосинтез способен сдержать стремительный натиск СО2, выбрасываемого в воздух в результате ежедневного сжигания человеком миллионов тонн различных видов углеводородного топлива.
Новое открытие американских ученых заставляет по-новому взглянуть на фотосинтетический процесс
Работы, опубликованные Артуром Гроссманом из Института имени Карнеги и его коллегами в журналах Biochimica et Biophysica Acta и Limnology and Oceanography, показывают, что некоторые виды морских микроорганизмов научились использовать солнечный свет напрямую, без поглощения СО2 и выделения взамен О2. Учет такой возможности может вести к переоценке влияния микроскопических морских обитателей на уровень концентрации углекислого газа в атмосфере.
Команда исследователей под руководством Гроссмана изучала фотосинтез цианобактерий (сине-зеленых водорослей) Synechococcus. Эти одноклеточные организмы доминируют во всех популяциях фитопланктона мировых вод и вносят значительный вклад в первичное производство питательных веществ.
Задачей ученых являлось исследование способности рода Synechococcus к выживанию и размножению в водах, обедненных ионами железа. Известно, что на одной из стадий фотосинтеза без этих ионов невозможно обойтись, однако во многих океанических районах их концентрация сильно понижена.
Как отмечает Гроссман, его исследование заставляет предположить, что в таких водах Synechococcus способны «закоротить» фотосинтетический процесс.
По его мнению, таким образом цианобактерии решают проблему нехватки ингредиентов для функционирования комплексного механизма преобразования энергии, исключая из фотосинтеза стадии, требующие участия большого числа ионов железа. Именно эти этапы подразумевают поглощения организмами СО2.
Понимание того, что в случае Synechococcus процесс фотосинтеза идет как-то не так, пришло к ученым довольно быстро: соотношение показателей фотосинтетической активности и поглощения СО2 во многих измерениях расходилось с моделями.
Ученые выяснили, что иногда место углекислого газа в цепочке химических превращений может занимать кислород.
В ходе «нормального» фотосинтеза этот жизненно важный газ получается в качестве «побочного продукта». В нормальном режиме фотосинтетические «фабрики» нужны для связывания СО2 и производства углеводов, выступающих впоследствии в качестве источника энергии во многих внутриклеточных процессах. Световая энергия в этих «фабриках» идет на разложение молекул воды, в ходе которого выделяются необходимые для фиксации углекислого газа и углеводов электроны. При этом разложении выделяется и кислород O2.
Во вновь открытом процессе для усваивания углекислого газа используется лишь малая часть выделяющихся при разложении воды электронов. Львиная же их доля в ходе обратного процесса идет на формирование молекул воды из «свежевысвобожденного» кислорода. При этом энергия, преобразуемая в ходе вновь открытого фотосинтетического процесса, не запасается в виде углеводов, а напрямую поступает к жизненно важным внутриклеточным энергопотребителям. Впрочем, детальный механизм такого процесса пока остается загадкой.
Со стороны может показаться, что подобная модификация фотосинтетического процесса является пустой тратой времени и энергии Солнца. Трудно поверить, что в живой природе, где за миллиарды лет эволюционных проб и ошибок каждая мелочь оказалась устроена предельно эффективно, может присутствовать процесс со столь низким КПД.
Тем не менее такой вариант позволяет защитить сложный и хрупкий аппарат фотосинтеза от чрезмерного облучения солнечным светом.
По словам авторов работы, такое переоблучение может нанести значительный вред организму в случае его неспособности функционировать обычным способом из-за недостатка ионов железа.
Дело в том, что фотосинтетический процесс в бактериях не может быть попросту остановлен в отсутствие необходимых ингредиентов в окружающей среде. До тех пор пока микроорганизмы подвержены воздействию солнечной радиации, они вынуждены преобразовывать энергию света в энергию химических связей. При отсутствии необходимых компонентов фотосинтез может привести к образованию свободных радикалов, губительных для всей клетки, а потому цианобактерии просто не могут обходиться без запасного варианта преобразования энергии фотонов из воды в воду.
Этот эффект пониженного уровня преобразования СО2 в углеводы и пониженного же высвобождения молекулярного кислорода уже наблюдался в серии недавних работ в природных условиях Атлантического и Тихого океанов. Как оказалось, пониженного содержание питательных веществ и ионов железа наблюдаются почти в половине их акваторий. Следовательно,
примерно половина энергии солнечного света, приходящаяся на обитателей этих вод, преобразуется в обход привычного механизма поглощения двуокиси углерода и высвобождения кислорода.
А значит, вклад морских автотрофов в процесс поглощения СО2 был прежде существенно завышен.
Как полагает один из специалистов отдела всемирной экологии Института имени Карнеги Джо Бери, новое открытие существенно изменит наши представления о процессах переработки солнечной энергии в клетках морских микроорганизмов. По его словам, ученым еще предстоит раскрыть механизм нового процесса, но уже сейчас его существование заставит по-иному взглянуть на современные оценки масштабов фотосинтетического поглощения СО2 в мировых водах.