Разгадать этот секрет пробуют биохимики из американской государственной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).
"Комплекс марганца произвел весь кислород, от которого зависят нынешние формы жизни, — гласит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программку исследования уникального био механизма под заглавием "выпускающий кислород комплекс" (oxygen-evolving complex — OEC). — Это изменило курс развития всей жизни".Учёный предполагает, что два с половиной млрд годов назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то натолкнулись на метод разрушать воду на молекулы кислорода и водород, и кислород в первый раз начал скапливаться в атмосфере.
Умопомрачительно. За прошедшие млрд лет жизнь перетерпела сложнейшую эволюцию — только сердцевина процесса фотосинтеза осталась полностью постоянной — всего несколько па из сложного танца ионов, фотонов и электронов — средоточие трудности существования жизни на планетке.
Что все-таки это за комплекс OEC? Здесь нам придётся совершить мини-путешествие, схожее тому, что выпало на долю сказочного героя, который находил погибель Кощея.
Общая схема фотосинтеза и один из предполагаемых вариантов структуры OEC (иллюстрация с веб-сайта lbl.gov).
Итак, мы имеем зелёный лист, снутри которого есть клеточки, снутри которых содержатся органоиды по имени хлоропласты. Наличие аккумулирующего световую энергию хлорофилла опустим для простоты. Мы идём ещё поглубже.
У хлоропластов есть так именуемые тилакоидные мембраны.
На этих мембранах закреплены большие 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 все-таки эта игла делает? Она раскалывает воду на молекулы кислорода, ионы водорода и свободные электроны, используя энергию света.
Тут-то мы и подходим к острию исследовательских работ фотосинтеза — как конкретно OEC проворачивает собственный фокус и как фактически этот комплекс смотрится.
Понятно уже много. К примеру, состав комплекса — в его базе лежат четыре иона марганца, один ион кальция, и несколько атомов кислорода (не тех, что мы будем "создавать", разлагая воду, а внутренних, неразменных).
Но, как досадно бы это не звучало, их обоюдное размещение, как и детали взаимодействия со светом и водой — пока не поддались открывателям ларцов и иных уток.
Какие только способы тут ни применяли (и используют) — и разные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу других методов заглянуть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.
Зато уже удалось выяснить, что создание молекулы кислорода идёт в пару шажков. При всем этом OEC действует, как конденсатор — поэтапно копит заряд, чтоб позже одним скачком разрядиться и навести эту энергию для синтеза кислорода.
Цикл перевоплощений группы атомов марганца (иллюстрация с веб-сайта lbl.gov).
У комплекса существует 5 состояний — от S0 до S4. В S0 два из четырёх ионов марганца имеют положительный заряд в четыре единицы (это ионы MnIV), в то время как другие два иона имеют заряд плюс три (MnIII) и плюс два (MnII) соответственно.
1-ые три шага (от S0 до S3) — это поочередный захват квантов света с освобождением электронов, в итоге чего комплекс преобразуется уже в набор 1-го MnIII и трёх MnIV (плюс, естественно, кислород и кальций).
При всем этом один из атомов кислорода, из состава комплекса, также теряет электрон.
Что далее — непонятно. Ясно только, что происходит ещё два шага — S3-S4 и возврат: S4-S0. В итоге чего комплекс перепрыгивает в начальное состояние, а вода, попадающая в пределы фотосистемы II, разлагается на нейтральный кислород и ион водорода.
Высвобождённые в течение всех этих шагов электроны транспортируются в соседнюю белковую систему PSI, где участвуют в длинноватой цепочке биохимических реакций, приводящих к усвоению углерода и росту растения.
Как конкретно комплекс раскалывает воду и сформировывает связь 2-ух атомов кислорода — пока потаенна.
Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её очень любознательным образом.
Поначалу они идут в гипермаркет и приобретают пакеты со свежайшим шпинатом.
Растение размалывают в водянистую кашицу, разбавляют и помещают раствор в установку.
Оказывается, даже в таком виде, когда структура растения практически разрушена до основания, молекулярные комплексы OEC ещё "живут" и сохраняют способность к синтезу кислорода из воды.
В установке царствует непроглядная тьма. Но вот учёные дают маленький импульс лазерного света. Группа атомов OEC перескакивает из нулевого состояния в 1-ое. Но вот далее происходит задержка — новых порций фотонов-то нет.
Тогда исследователи замораживают раствор и помещают его в установку магнитного резонанса либо установку рентгеновской кристаллографии.
Потом, записав итог опыта, учёные опять возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера — для перевода системы в последующее состояние. И т.д..
Сочитая все вероятные данные, экспериментаторы составляют карты электрической плотности — и пробуют осознать обоюдное положение атомов в комплексе и их взаимодействие.
На деньке океана находят полезные ископаемые, содержащие комплексы марганца и кислорода, напоминающие OEC. Может быть, древнейшие бактерии на первых порах использовали подобные соединения для облегчения фотосинтеза (иллюстрация с веб-сайта lbl.gov).
Как уже говорилось выше, разным группам исследователей это отчасти удалось, но все пока спотыкнулись на состоянии S3. Образно говоря, в нашей иголке, что хранилась в утином яичке, удалось рассмотреть ушко и даже среднюю часть, а самое-самое остриё как и раньше не видно.
Вот незадача — даже пространственная структура OEC на данный момент существует только в виде гипотетичных вариантов. Для того, чтоб рассмотреть остриё иглы имеющимся способам кристаллографии, не хватает разрешающей возможности. Необходимо поднять её ещё малость.
Конкретно этот последний и самый тяжелый шаг пробуют сделать в Беркли. Учёные молвят, что близки к разгадке, как никогда ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.
Именно тогда можно будет свысока глядеть на все прошлые опыты с фотосинтезом, а заодно — с созданием различных фотоэлектрических панелей.
Ведь в руках у населения земли окажется заветная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.
И создание водорода (для использования в качестве горючего) из воды станет лёгким, и можно будет создавать искусственные деревья, не только лишь всасывающие парниковые газы, да и вырабатывающие животворный кислород.
Как это может кардинально поменять развитие цивилизации, её отношения с природой — жутко даже представить.
Умопомрачительно, что речь идёт всего-то о нахождении обоюдного расположения и механизме взаимодействия нескольких атомов в комплексе OEC — практически — в единственной молекуле с хим формулой Mn4O4Ca.
