Удивительные и ранее неизвестные способности фотосинтеза открыла группа ученых из американских и канадских университетов. Они исследовали, как происходит преобразование световой энергии в растениях и бактериях в экстремальных для этого условиях. Результаты своих опытов они опубликовали в майском номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences. Эти исследования имеют важное значения не только для познания тайн жизни, но и создания принципиально новых технологий.

Фотосинтез -- биологический процесс, который является основой жизни на Земле. Он заключается в том, что растения и микробы с помощью солнечного света, воды и углекислого газа вырабатывают органические вещества и кислород.

В каждом зеленом листе находятся пигменты, хлорофиллы, которые не только придают растениям их цвет, но и вместе с желтыми и оранжевыми каротиноидными пигментами являются ключевыми молекулами, поглощающими солнечный свет. Хлорофиллы также играют основную роль в передаче энергии при фотосинтезе. Большая часть молекул хлорофилла входит в состав так называемых светособирающих комплексов, с помощью которых происходит передача энергии дальше, к реакционному центру фотосистем I или II. Они состоят из светособирающих комплексов, реакционного центра и переносчиков электронов и работают в тандеме.

В состав молекулы хлорофилла обязательно входит магний. Влияние металла на передачу энергии при фотосинтезе и исследовали ученые.

Для того чтобы лучше понять механизмы фотосинтеза, биологи воспользовались давно известной и хорошо изученной фотосинтетической бактерией Rhodobacter sphaeroides.

Основной «площадкой» фотосинтеза является реакционный центр, в котором энергия света попадает в хлорофилловые протеины. Американские ученые показали, что движение протеинов в реакционном центре в процессе фотосинтеза способствует вызванному светом движению электронов между молекулами и помогает растениям и бактериям эффективно преобразовывать световую энергию даже в тех случаях, когда условия для фотосинтеза далеки от оптимальных. Каждый раз, когда на пути электронов помещали какое-нибудь препятствие, протеины «находили» обходной маршрут.

«Мы заставляли бактерии мутировать и изучали, как это повлияет на эффективность превращения энергии в реакционном центре, -- сказала Су Лин, профессор биологии из университета Аризоны, руководившая исследованием. -- Тщательно созданные препятствия дают много информации о нормальном протекании превращения энергии и позволяют много узнать о главных механизмах фотосинтеза».

Реакция, в ходе которой свет преобразуется в химическую энергию, происходит в миллионные доли секунды, что делает наблюдения за ней очень трудными. Сверхбыстрая лазерная спектроскопическая система обнаружения, которую разработала Лин, действует как высокоскоростная кинокамера. Она расщепляет световой спектр на крошечные частички и позволяет ученым поймать большие количества сверхбыстрых форм из компонентов этих практически мгновенных реакций. Собранные при помощи математических методов формы создают «картину» событий, происходящих при превращении энергии в процессе фотосинтеза.

Начальным пунктом исследования послужило открытие профессора Томаса Битти из университета Британской Колумбии, который обнаружил мутантный реакционный центр, в котором магний оказался заменен на цинк.

«Сначала мы думали, что этот реакционный центр не действует, -- рассказывает Битти, -- но потом поняли, что это не так».

Лин тщательно замерила спектр поглощения света естественного реакционного центра с магнием и сравнила его с мутантным реакционным центром с цинковым бактериохлорофиллом. Оказалось, что наличие цинкового реакционного центра не мешает кинетическим характеристикам и эффективности преобразования энергии быть почти такими же, как у естественного реакционного центра, содержащего магний.

Лин считает, что ей удалось объяснить это удивительное явление. Движущая сила электронов определяется или свойствами самих металлов, или их взаимодействием с протеином. В случае цинкового реакционного центра движущая сила регулируется через первый механизм -- металл.

Биология в очередной раз показала жизнестойкость -- изменения в одной части системы компенсируются изменениями в ее других частях. Что же касается протеинов, то они динамически приспосабливаются к новым условиям.

Это исследование поможет ученым глубже понять структуру, функции и эволюцию фотосинтетических реакционных центров. Особый интерес представляет взаимодействие между хлорофиллом и протеином, которое отличается в разных реакционных центрах.

Имеет исследование, надеются его авторы, и практическую ценность. Его результаты могут быть использованы для разработки солнечных батарей следующего поколения, которые благодаря биомимикрии фотосинтеза смогут значительно повысить энергетическую эффективность по сравнению с современными технологиями и снизить цену.