Каталог статей
Поиск по базе статей  
Статья на тему Наука и образование » Научные исследования » Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

 

Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

 

 

Как растения производят кислород? Задачка для школьного учебника, как кажется. Если вы думаете, что механизм фотосинтеза объяснён в полной мере, то вы ошибаетесь. Оказывается, природа ещё хранит в тайне самый ответственный момент в этом многоступенчатом процессе.

Разгадать этот секрет пытаются биохимики из американской национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).

загрузка...

 

 

"Комплекс марганца произвел весь кислород, от которого зависят сегодняшние формы жизни, — говорит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программу исследования уникального биологического механизма под названием "выпускающий кислород комплекс" (oxygen-evolving complex — OEC). — Это изменило курс развития всей жизни".

Учёный подразумевает, что два с половиной миллиарда лет назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то наткнулись на способ разрушать воду на молекулы кислорода и водород, и кислород впервые начал накапливаться в атмосфере.

Удивительно. За прошедшие миллиарды лет жизнь претерпела сложнейшую эволюцию — только сердцевина процесса фотосинтеза осталась абсолютно неизменной — всего несколько па из сложного танца ионов, фотонов и электронов — средоточие проблемы существования жизни на планете.

Что же это за комплекс OEC? Тут нам придётся совершить мини-путешествие, подобное тому, что выпало на долю сказочного героя, который искал смерть Кощея.

Общая схема фотосинтеза и один из предполагаемых вариантов структуры OEC (иллюстрация с сайта lbl.gov).

Общая схема фотосинтеза и один из предполагаемых вариантов структуры OEC (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Итак, мы имеем зелёный лист, внутри которого есть клетки, внутри которых содержатся органоиды по имени хлоропласты. Наличие аккумулирующего световую энергию хлорофилла опустим для простоты. Мы идём ещё глубже.

У хлоропластов есть так называемые 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 невозможен — это своего рода игла, до которой современные биологи так и не добрались.

Что же эта игла делает? Она раскалывает воду на молекулы кислорода, ионы водорода и свободные электроны, используя энергию света.

Тут-то мы и подходим к острию исследований фотосинтеза — как именно OEC проворачивает свой фокус и как собственно этот комплекс выглядит.

Известно уже немало. Например, состав комплекса — в его основе лежат четыре иона марганца, один ион кальция, и несколько атомов кислорода (не тех, что мы будем "создавать", разлагая воду, а внутренних, неразменных).

Но, увы, их взаимное расположение, как и детали взаимодействия со светом и водой — пока не поддались открывателям ларцов и прочих уток.

Какие только методы здесь ни применяли (и применяют) — и различные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу других способов заглянуть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.

Зато уже удалось узнать, что создание молекулы кислорода идёт в несколько шагов. При этом OEC действует, как конденсатор — поэтапно накапливает заряд, чтобы потом одним скачком разрядиться и направить эту энергию для синтеза кислорода.

Цикл превращений группы атомов марганца (иллюстрация с сайта lbl.gov).

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 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.

Первые три шага (от S0 до S3) — это последовательный захват квантов света с освобождением электронов, в результате чего комплекс превращается уже в набор одного MnIII и трёх MnIV (плюс, конечно, кислород и кальций).

При этом один из атомов кислорода, из состава комплекса, также теряет электрон.

Что дальше — неизвестно. Ясно только, что происходит ещё два шага — S3-S4 и возврат: S4-S0. В результате чего комплекс перепрыгивает в исходное 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 длинной цепочке биохимических реакций, приводящих к усвоению углерода и росту растения.

Как именно комплекс раскалывает воду и формирует связь двух атомов кислорода — пока тайна.

Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её весьма любопытным образом.

Сначала они идут в супермаркет и покупают пакеты со свежим шпинатом.

Растение размалывают в жидкую кашицу, разбавляют и помещают раствор в установку.

Оказывается, даже в таком виде, когда структура растения фактически разрушена до основания, молекулярные комплексы OEC ещё "живут" и сохраняют способность к синтезу кислорода из воды.

В установке царит непроглядная тьма. Но вот учёные дают короткий импульс лазерного света. Группа 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 или установку рентгеновской кристаллографии.

Затем, записав результат опыта, учёные снова возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера — для перевода системы в следующее состояние. И так далее.

Комбинируя все возможные данные, экспериментаторы составляют карты электронной плотности — и пытаются понять взаимное положение атомов в комплексе и их взаимодействие.

На дне океана находят полезные ископаемые, содержащие комплексы марганца и кислорода, напоминающие OEC. Возможно, древние бактерии на первых порах использовали подобные соединения для облегчения фотосинтеза (иллюстрация с сайта lbl.gov).

На дне океана находят полезные ископаемые, содержащие комплексы марганца и кислорода, напоминающие OEC. Возможно, древние бактерии на первых порах использовали подобные соединения для облегчения фотосинтеза (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Как уже говорилось выше, различным группам исследователей это частично удалось, но все пока споткнулись на состоянии S3. Образно говоря, в нашей иголке, что хранилась в утином яйце, удалось разглядеть ушко и даже среднюю часть, а самое-самое остриё по-прежнему не видно.

Вот незадача — даже пространственная структура OEC сейчас существует лишь в виде гипотетических вариантов. Для того, чтобы разглядеть остриё иглы существующим методам кристаллографии, не хватает разрешающей способности. Нужно поднять её ещё немного.

Именно этот последний и самый трудный шаг пытаются сделать в Беркли. Учёные говорят, что близки к разгадке, как никогда ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.

Вот тогда можно будет свысока смотреть на все предыдущие эксперименты с фотосинтезом, а заодно — с созданием разнообразных фотоэлектрических панелей.

Ведь в руках у человечества окажется сокровенная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.

И производство водорода (для использования в качестве топлива) из воды станет лёгким, и можно будет создавать искусственные деревья, не только поглощающие парниковые газы, но и вырабатывающие живительный кислород.

Насколько это может кардинально изменить развитие цивилизации, её взаимоотношения с природой — страшно даже представить.

Удивительно, что речь идёт всего-то о нахождении взаимного расположения и механизме взаимодействия нескольких атомов в комплексе OEC — фактически — в единственной молекуле с химической формулой Mn4O4Ca.

Статья получена: Membrana.ru

загрузка...

 

 

Наверх


Постоянная ссылка на статью "Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца":


Рассказать другу

Оценка: 4.0 (голосов: 16)

Ваша оценка:

Ваш комментарий

Имя:
Сообщение:
Защитный код: включите графику
 
 



Поиск по базе статей:





Темы статей






Новые статьи

Противовирусные препараты: за и против Добро пожаловать в Армению. Знакомство с Арменией Крыша из сэндвич панелей для индивидуального строительства Возможно ли отменить договор купли-продажи квартиры, если он был уже подписан Как выбрать блеск для губ Чего боятся мужчины Как побороть страх перед неизвестностью Газон на участке своими руками Как правильно стирать шторы Как просто бросить курить

Вместе с этой статьей обычно читают:

Малоэтажная Россия: Жизнь на земле

На прошлой неделе случилось то, что позволяет взглянуть с оптимизмом на перспективы нашего национального бытия. На заседании генсовета партии “ Единая Россия” ее лидер Борис Грызлов впервые со столь высокой трибуны поставил задачу, решение которой ломает сложившийся жизненный уклад, — изменить модель расселения в направлении “из городов в пригороды”.

» Строительство жилья - 1537 - читать


Жизнь была занесена на Землю из космоса

Американские и итальянские учёные, занимающиеся исследованиями метеоритов, нашли очередное подтверждение гипотезы о внеземном происхождении всего живого на нашей планете. Джордж Купер (George Cooper) и его коллеги из калифорнийского исследовательского центра NASA (NASA's Ames Research Center) обнаружили глюкозу в составе Мерчисонского метеорита (Murchison meteorite), который упал неподалёку от австралийского городка Мерчисон в 1969 году, и метеорита озера Мюррей (Lake Murray ...

» Научные исследования - 3299 - читать


Жизнь по соседству с Землёй. Часть первая

Две новости промелькнули нынче на разных информационных ресурсах, и при том, что они внешне никак друг с другом не связаны, речь в них идёт почти об одном и том же — о жизни вне планеты Земля. За последнее время произошло немало событий, дававших пищу для спекуляций на эту тему. Например, в конце 2001 года стало известно, что в двух метеоритах, один из которых упал в Австралии в 1969 году, а другой "приземлился" несколько миллионов лет назад, обнаружилась глюкоза.

» Научные исследования - 1610 - читать


Была ли жизнь на Земле?

Американские ученые исследовали лунные метеориты и пришли к выводу, что в результате космического катаклизма астероиды долго бомбардировали Луну и изменили ее поверхность. Тоже самое происходило и с Землей. Используя технику аргон-аргонного датирования, они определили возраст метеоритов, прилетевших на Землю с Луны.

» Загадки времени и мироздания - 3002 - читать


Фреон и озон: экономичность холодильников против жизни на Земле

В атмосфере Земли на высоте от пятнадцати до пятидесяти километровнаходится озоновый слой. Многие представляют его себе в виде тонкой пленки, однако, как видно из вышеприведенных цифр, это совсем не так. Но неправильно было бы и думать, что кроме озона на этой высоте ничего нет.

» Крупная бытовая техника - 2828 - читать



Статья на тему Наука и образование » Научные исследования » Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

Все статьи | Разделы | Поиск | Добавить статью | Контакты

© Art.Thelib.Ru, 2006-2024, при копировании материалов, прямая индексируемая ссылка на сайт обязательна.

Энциклопедия Art.Thelib.Ru