Как фотосинтез захватывает свет и питает жизнь на Земле

 

Вероятно, вы недостаточно цените растения. Все в порядке — никто из нас этого не знает. Учитывая, что растения были главным игроком в запутанной мыльной опере жизни, которая привела нас на эту планету, мы должны каждый день благодарить наших друзей-лиственниц за наше существование.

 

Честно говоря, вся эта история настолько запутана и запутана, что мы, возможно, никогда не узнаем правду о том, как наши зеленые предки позволили всем остальным эволюционировать, но один аспект этой истории, безусловно, связан с фотосинтезом — способностью растения делать свою собственную пищу из солнечного света.


Фотосинтез: ключ к жизни

 

"Отличный способ оценить фотосинтез-сравнить атмосферу Земли с атмосферой наших "сестринских " планет", - говорит Грегори Шмидт, почетный профессор кафедры биологии растений Университета Джорджии. "Все три планеты, скорее всего, были похожи, когда они образовались и остыли, но атмосфера Венеры и Марса содержит 95 процентов углекислого газа (CO2), 2,7 процента азота (N2) и 0,13 процента кислорода (O2). В земном воздухе содержится 77 процентов N2, 21 процент O2 и 0,41 процента CO2, хотя это число растет. Это означает, что в нашей атмосфере есть 800 гигатонн углекислого газа, но есть еще 10 000 гигатонн — 10 000 000 000 тонн — пропавших без вести или похороненных в виде ископаемого известняка, угля и нефти."

 

Другими словами, углерод был тайно вывезен из атмосферы в земную кору на протяжении миллиардов лет, и это единственная причина, по которой эта планета вообще пригодна для жизни многоклеточных организмов.

 

- Итак, как же произошло это драматическое атмосферное смещение для Земли?- спрашивает Шмидт. - Есть только один ответ, и он довольно прост: фотосинтез, самый удивительный фактор эволюции Земли."

 

Зеленая революция

 

Фотосинтез, друзья. Примерно через миллиард лет после образования Земли появилась жизнь — вероятно, сначала в виде каких-то анаэробных бактерий, поглощающих серу и водород, выходящие из гидротермальных источников. Теперь у нас есть жирафы. Но на пути между первыми бактериями и жирафами было 10 000 гигатонн шагов: эти древние бактерии должны были найти способ поиска новых гидротермальных источников, что привело к разработке термодатчика-пигмента под названием бактериохлорофилл, который некоторые бактерии до сих пор используют для обнаружения инфракрасного сигнала, генерируемого теплом. Эти бактерии были прародителями потомков, которые могли производить хлорофилл-пигмент, способный улавливать более короткие и энергичные световые волны от солнца и использовать их в качестве источника энергии.

 

Так, по сути, эти бактерии создали средство для улавливания энергии солнечного света. Следующий эволюционный скачок потребовал разработки способа стабильного накопления энергии — создания своего рода солнечной батареи, которая стимулировала бы накопление протонов на одной стороне их внутренних мембран по сравнению с другой.

 

Горящая вода (фотосистема II)

 

Истинное чудо эволюции растений и водорослей заключается в том, что в какой-то момент эти древние бактерии, производящие хлорофилл, начали вырабатывать кислород. В конце концов, миллиарды лет назад в атмосфере было очень мало кислорода, и он был токсичен для многих ранних бактерий (он все еще токсичен для анаэробных бактерий, которые остаются в бескислородных местах на Земле). Однако новый процесс улавливания и хранения солнечного света требовал, чтобы участвующие в нем бактерии сжигали воду. Да, они сожгли то вещество, которое пожарные используют для тушения пожаров.

 

Процесс горения - это просто окисление-отрыв электронов от одного атома и перенос этих электронов на другой (который называется восстановлением). Ранние фотосинтетические бактерии разработали способ улавливать фотоны-в основном частицы света — и использовать их энергию, чтобы лишить воду многих ее протонов и электронов для производства энергии.

 

Прорыв из прорывов произошел 3 миллиарда лет назад, когда фотосинтетические механизмы были усовершенствованы до такой степени, что хлорофилл мог расщеплять две молекулы воды одновременно — в наши дни мы называем это "хлорофилл-белковый кластер фотосистемы II"."


Зеленые Батареи (Фотосистема I)

 

Цианобактерии развились, как только эти фотосинтетические бактерии поняли, как сжигать воду и накапливать энергию от этой химической реакции. В процессе фотосинтеза фотосистема II (сжигание воды) не может реально существовать без второй стадии, фотосистемы I, которая включает в себя взятие электронов, снятых с молекул воды на первом этапе, и использование их до распада. Фотосистема I делает это, наклеивая эти электроны на химическую сборочную линию, чтобы организм смог сохранить эту с трудом заработанную энергию, которая затем используется для преобразования CO2 в сахар для использования бактериями в качестве пищи.

 

Рассвет хлоропластов

 

Как только фотосистемы I и II были разобраны, цианобактерии захватили океаны, и поскольку кислород был их отходом, он стал обильным в атмосфере Земли. В результате многие бактерии стали аэробными — то есть они нуждались (или по крайней мере переносили) кислород для своих метаболических процессов. Примерно миллиард лет спустя простейшие эволюционировали как анаэробы (организм, который не нуждается в кислороде для роста), поглощая аэробную бактериальную добычу. По крайней мере, один раз бактерия не была полностью переварена, но осталась внутри клетки и в конечном итоге помогла анаэробному организму с непереносимостью кислорода справиться с аэробной средой. Эти два организма слиплись вместе, и в конечном итоге организм жертвы эволюционировал в клеточную органеллу, называемую митохондриями.

 

Подобный сценарий произошел с цианобактериями около 1 миллиарда лет назад. В этом случае аэробный простейший, вероятно, сожрал цианобактерию, которая в конечном итоге установила магазин внутри своего хозяина, в результате чего образовалась небольшая, связанная мембраной органелла, общая для всех растений: хлоропласты.

 

По мере того как водоросли и многоклеточные растения развивались и извлекали пользу из обильного количества CO2 и увеличивающегося количества кислорода в атмосфере Земли, хлоропласты стали местом, где фотосинтез — фотосистемы I, II и даже более сложные вещества — происходил в каждой клетке. Точно так же, как митохондрии, они имеют свою собственную ДНК и проводят свое время, деловито собирая свет для растения, создавая весь фундамент для жизни на Земле.

ИСТОЧНИК

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (15.04.2020)
Просмотров: 35 | Рейтинг: 0.0/0