Фотосинтез — двигатель жизни на Земле, биохимический процесс, с помощью которого растения, водоросли и цианобактерии преобразуют солнечный свет в химическую энергию. Этот процесс не только поддерживает организмы, которые его выполняют, но и производит кислород, которым мы дышим, и органические соединения, которые составляют основу почти каждой экосистемы. На протяжении веков ученые работали над распутыванием сложных механизмов фотосинтеза, от первоначального наблюдения за газообменом до последних генетических манипуляций, которые обещают повысить урожайность и бороться с изменением климата. Путь от ранней естественной истории до современной молекулярной биологии был отмечен серией глубоких прорывов, которые изменили наше понимание биологии растений и открыли новые границы в сельском хозяйстве, энергетике и науке об окружающей среде.

Ранние открытия: основы исследований фотосинтеза

Научное исследование фотосинтеза началось в 17 веке, но первые четкие эксперименты были проведены английским священником и ученым Джозефом Пристли в 1770-х годах. Пристли лихо положил веточку мяты в закрытый контейнер со свечой, которая выгорела. Через несколько дней он обнаружил, что свеча может быть реликтовой, доказывая, что растения могут «восстановить» воздух, который был «поврежден» при сжигании. Это было первое доказательство того, что растения выпускают жизнеобеспечивающий газ — позже идентифицированный как кислород.

Вскоре после этого голландский врач Ян Ингенхус расширил работу Пристли. В серии экспериментов он продемонстрировал, что восстановительное действие растений требует солнечного света. Он показал, что только зеленые части растений способны производить кислород и что процесс прекращается в темноте. Ингенхус также заметил, что растения, как и животные, потребляют кислород ночью — процесс, который мы теперь называем дыханием. Эти основополагающие эксперименты установили, что свет необходим для производства кислорода растениями, основной принцип фотосинтеза.

В XIX веке швейцарский ботаник Николя-Теодор де Соссюр количественно оценил роль воды и углекислого газа. Измеряя массу растений, выращенных в герметичных контейнерах, он показал, что растения набирают массу из углекислого газа, взятого из воздуха и воды из почвы. Это был критический шаг в признании того, что фотосинтез — это синтетический процесс, который строит органическое вещество из неорганических входов. Позднее немецкий ботаник Юлиус Сакс продемонстрировал, что крахмал является продуктом фотосинтеза, обеспечивая первую прямую связь между воздействием света и хранением энергии в растениях.

В начале 20-го века появились новые открытия. Голландский микробиолог Корнелис ван Ниль сравнил фотосинтез в зеленых растениях с бактериальным фотосинтезом. Он предположил, что кислород, выделяемый растениями, поступает из воды, а не из углекислого газа. Гипотеза Ван Ниля была подтверждена в 1940-х годах с помощью изотопной маркировки кислородом-18, методики, которая отслеживала судьбу молекул воды во время световых реакций. Это открытие переформулировало наше понимание реакции, развивающейся кислородом, и подготовило почву для подробных механистических исследований, которые последовали.

Молекулярная техника: хлоропласты и пигменты

Современное понимание фотосинтеза опирается на изучение хлоропластов, специализированных органелл, где происходит процесс. Хлоропласты обнаруживаются в мезофилловых клетках листьев и ограничены двойной мембраной. Внутри сложная внутренняя мембранная система, называемая тилакоидом, содержит пигменты и белковые комплексы, которые захватывают световую энергию. Тилакоидные мембраны расположены в уложенных дископодобных структурах, называемых гранами, которые увеличивают площадь поверхности, доступную для поглощения света.

Основным пигментом, ответственным за захват света, является хлорофилл a, молекула, которая сильнее всего поглощает свет в синей и красной частях спектра и отражает зеленый свет, придавая листьям характерный цвет. Принадлежные пигменты, такие как хлорофилл b, каротиноиды (бета-каротин) и ксантофиллы, расширяют диапазон длин волн, которые могут быть использованы. Каротиноиды также играют защитную роль, утоляя избыточную энергию и предотвращая повреждение от активных форм кислорода. Специфические спектры поглощения этих пигментов определяют спектр действия фотосинтеза, который выстраивает скорость фиксации углерода против длины волны света.

Пигменты организованы в светоуборочные комплексы (LHC), которые направляют энергию к реакционным центрам. Реакционный центр представляет собой специализированную молекулу хлорофилла, которая при возбуждении подвергается разделению зарядов, инициируя преобразование энергии света в химическую энергию. В растениях работают в тандеме две различные фотосистемы: Фотосистема II (PSII) и Фотосистема I (PSI). Каждая фотосистема имеет свой реакционный центр (P680 для PSII, P700 для PSI) и характерный набор связанных с ними антенных белков. Эволюционное происхождение этих фотосистем можно проследить до цианобактерий, которые впервые разработали кислородный фотосинтез более 2,5 миллиардов лет назад, навсегда изменив атмосферу Земли.

Светозависимые реакции: от фотонов до АТФ и НАДФ

Светозависимые реакции — это стадия, на которой солнечный свет преобразуется в химическую энергию.Эти реакции происходят на тилакоидных мембранах и включают ряд белковых комплексов: PSII, комплекс цитохрома b6f и PSI, наряду с АТФ-синтазой.

Расщепление воды и эволюция кислорода

Когда свет попадает в PSII, он возбуждает электрон в реакционном центре P680, который затем передается молекуле акцептора. Окисленный P680 извлекает электрон путем расщепления молекулы воды, процесса, катализируемого кислородообразующим комплексом (ОЭС), который содержит атомы марганца, кальция и кислорода. Эта реакция высвобождает протоны в просвет тилакоида и молекулярный кислород в качестве побочного продукта: 2 H2O → O2 + 4 H + + 4 e−. Кислород образуется тот же газ, от которого зависит вся аэробная жизнь. Понимание структуры ОЭС было крупным достижением в структурной биологии, кульминацией которого стала работа лауреата Нобелевской премии Иоганна Дейзенхофера, Хартмута Мишеля и Роберта Губера в 1980-х годах на бактериальных реакционных центрах.

Электронная транспортная цепь и синтез АТФ

Высокоэнергетические электроны из PSII передаются по ряду носителей, в том числе пластохинон, комплекс цитохрома b6f и пластоцианин. По мере движения электронов по цепи, энергия используется для перекачки протонов из стромы в просвет тилакоида, создавая протонный градиент. Этот градиент приводит в движение фермент ATP-синтазу, которая фосфорилирует ADP для получения ATP. Между тем электроны поступают в PSI, где они повторно активируются другим фотоном. Из PSI они переносятся в ферредоксин и, наконец, в NADP+-редуктазу, которая уменьшает NADP+ до NADPH. Общие продукты световых реакций — ATP, NADPH и O2. Точная стехиометрия варьируется в зависимости от циклической или нециклической природы потока электронов, но основной механизм высококонсерватен во всех кислородных фотосинтетических организмах.

Цикл Кальвина: встраивание углерода в сахар

Цикл Кальвина, открытый американским биохимиком Мелвином Кальвином и его коллегами в 1950-х годах с использованием радиоактивного углерода-14, является второй стадией фотосинтеза. Он происходит в строме хлоропласта и использует АТФ и НАДФ, образующиеся в световых реакциях, для фиксации углекислого газа в органических молекулах.

Цикл протекает в три фазы: фиксация углерода, восстановление и регенерация акцепторной молекулы рибулозы-1,5-бисфосфата (RuBP). На первом этапе фермент RuBisCO (рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза / оксигеназа) катализирует реакцию между CO2 и RuBP, образуя нестабильное шестиуглеродное соединение, которое сразу распадается на две молекулы 3-фосфоглицерата (3-PGA). RuBisCO удивительно медленная и неэффективная — часто считается самым распространенным ферментом на Земле именно потому, что растения должны производить так много его, чтобы компенсировать его низкую скорость оборота. Кроме того, RuBisCO катализирует конкурирующую реакцию с кислородом (фотодыхание), который тратит энергию и выделяет фиксированный углерод.

В фазе восстановления 3-PGA фосфорилируется АТФ и уменьшается НАДФГ с образованием глицеральдегида-3-фосфата (G3P). Некоторые молекулы G3P выходят из цикла, который будет использоваться в синтезе глюкозы, крахмала и других органических соединений; остальная часть продолжается через фазу регенерации для восстановления RuBP с использованием дополнительного АТФ. На каждые шесть фиксированных молекул CO2 образуется одна молекула глюкозы (C6H12O6). Цикл самоподдерживающийся, пока световая энергия обеспечивает АТФ и НАДФХ.

Фотодыхание: дорогостоящая реакция и эволюционные адаптации

Фотодыхание начинается, когда RuBisCO использует кислород вместо углекислого газа, производя одну молекулу 3-PGA и одну молекулу фосфогликолата (2-фосфогликолата). Спасательный путь для фосфогликолата, называемый фотодыханием, потребляет АТФ и выделяет CO2, снижая общую эффективность фотосинтеза до 30% в жарких, сухих условиях. Эта неэффективность привела к эволюции механизмов концентрации углерода во многих растениях.

Фотосинтез C4, который развивался независимо более 60 раз, использует пространственное разделение для концентрации CO2 в месте RuBisCO. В растениях C4 (например, кукурузе, сахарном тростнике) CO2 первоначально фиксируется в четырехуглеродном соединении (оксалоацетате) в клетках мезофилла, а затем транспортируется в клетки оболочки пучка, где он высвобождает CO2 для цикла Кальвина. Этот механизм эффективно подавляет фотодыхание и позволяет растениям C4 процветать в высокотемпературных средах. Метаболизм крассуляцевой кислоты (CAM) является еще одной адаптацией, используемой кактусами и суккулентами, который временно отделяет фиксацию углерода (ночь против дня) для сохранения воды.

Понимание молекулярной основы C4 и CAM было основным направлением современных исследований фотосинтеза с целью разработки этих путей в культуры C3, такие как рис и пшеница, для повышения эффективности использования воды и урожайности. Подходы синтетической биологии в настоящее время пытаются внедрить более простой механизм концентрации углерода (CCM) на основе бикарбонатных насосов, обнаруженных в цианобактериях.

Современные прорывы и генная инженерия

За последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в молекулярном понимании и манипулировании фотосинтезом. С появлением секвенирования генома, редактирования генов CRISPR-Cas9 и структурной биологии с высоким разрешением исследователи теперь могут модифицировать фотосинтетический механизм с беспрецедентной точностью.

Повышение эффективности RuBisCO

Усилия по созданию лучшего RuBisCO предпринимались в течение многих лет. Путем скрининга вариантов RuBisCO от различных организмов, включая красные водоросли, цианобактерии и даже некоторые хемосинтетические бактерии, ученые надеются идентифицировать формы с более высокими каталитическими показателями и более низким сродством к кислороду. Направленная эволюция в лаборатории произвела мутантные ферменты с улучшенными чертами, но введение функционального чужеродного RuBisCO в растения остается сложной задачей из-за необходимости правильного складывания и сборки с шаперонами хлоропластов. Недавние структурные исследования с почти атомным разрешением (с использованием крио-ЭМ и рентгеновской кристаллографии) выявили подробные геометрии активного участка, которые информируют рациональный дизайн.

Инженерные фотосинтетические пути

Исследователи также переработали сам цикл Кальвина. Например, ученые внедрили альтернативные пути фиксации углерода от других организмов, такие как путь редуктивного глицина или синтетический «цикл CETCH» (полностью искусственный цикл фиксации CO2, созданный in vitro). В 2019 году команда во главе с Тобиасом Эрбом продемонстрировала высокоэффективный синтетический цикл, который превосходит естественный цикл Кальвина in vitro. Хотя реализация in vivo все еще находится на ранних стадиях, эти исследования доказательства концепции подчеркивают потенциал для радикальной реинжиниринга метаболизма.

Другой подход предполагает повышение эффективности захвата света. Изменяя размер и состав светоуборочной антенны, исследователи создали растения, которые могут выдерживать высокую интенсивность света без фотоингибирования. Было показано, что корректировка механизма «нефотохимического гашения» (NPQ), который рассеивает избыточную энергию, повышает урожайность в полевых испытаниях до 20%.

Повышение эффективности использования воды и стрессоустойчивости

Изменение климата создает все большую угрозу продуктивности сельскохозяйственных культур в результате засухи, жары и повышения уровня CO2. Генная инженерия используется для повышения способности растений справляться с этими стрессами. Переэкспрессия генов, участвующих в синтезе осмопротекторов, антиоксидантных ферментов или стресс-реактивных факторов транскрипции, может улучшить фотосинтетические характеристики в неблагоприятных условиях. Кроме того, изменение регуляции стоматоза - например, путем разработки более быстрых стоматальных реакций - может оптимизировать использование воды при сохранении поглощения CO2.

Фотосинтез и изменение климата

Понимание фотосинтеза имеет решающее значение для решения проблемы изменения климата. С одной стороны, фотосинтетические организмы, особенно наземные растения и фитопланктон, действуют как основные поглотители углерода, поглощая около 30% антропогенных выбросов CO2 ежегодно. Защита и усиление этого естественного поглотителя посредством лесовосстановления, сельскохозяйственной практики и океанического оплодотворения является ключевой стратегией. С другой стороны, исследователи изучают, как повышение уровня CO2 влияет на сам фотосинтез. Эффект оплодотворения CO2, при котором более высокие концентрации CO2 стимулируют фотосинтез и рост, хорошо документирован, но он ограничен доступностью питательных веществ, водой и температурой. Модели предполагают, что будущие урожаи могут быть ограничены, если растения не смогут адаптироваться к сопутствующим стрессам.

Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS) полагается на фотосинтез для получения биомассы, которая затем сжигается для получения энергии, с полученным CO2, захваченным и хранящимся под землей. Повышение фотосинтетической эффективности биоэнергетических культур (например, муфты, тополя) непосредственно повышает жизнеспособность этой технологии отрицательного выброса. Кроме того, разрабатываются подходы синтетической биологии для производства высокоценных химических веществ непосредственно из CO2 в инженерных цианобактериях или водорослях, предлагая путь к углеродно-нейтральному производству.

Будущие направления: искусственный фотосинтез и другие

Конечная цель исследований фотосинтеза заключается в воспроизведении или даже превзойти эффективность природы в синтетической системе. Искусственный фотосинтез направлен на использование солнечного света для разделения воды и производства водородного топлива или для уменьшения CO2 в жидких видах топлива, таких как метанол. Мимика Z-схема естественного фотосинтеза с неорганическими катализаторами (например, диоксид титана, кобальтовые водорасщепляющие катализаторы) достигла прогресса, но достижение стабильности и эффективности природных систем остается неуловимым. Последние достижения в перовскитных солнечных элементах, интегрированных с электрокаталитическими слоями, показали перспективу эффективности преобразования солнечной энергии в химическую, превышающую 10%.

Еще одним захватывающим рубежом является роль квантовых эффектов в фотосинтезе. Эксперименты показали, что передача энергии в комплексах сбора света может включать квантовую когерентность, когда энергия движется одновременно по нескольким путям, прежде чем осесть на реакционный центр. Хотя это противоречивое исследование квантовой биологии предполагает, что эволюция могла использовать тонкие квантовые явления для оптимизации захвата света. Понимание этих эффектов может вдохновить новые материалы для сбора солнечной энергии.

Наконец, исследование фотосинтеза продолжает информировать астробиологию. Понимая минимальные требования к кислородному фотосинтезу — воде, свету, CO2 и некоторым микроэлементам — ученые уточняют свои поиски обитаемых экзопланет. Спектральная сигнатура кислорода и водяного пара в атмосфере планеты может указывать на наличие фотосинтетической жизни.

Заключение

Научное путешествие к пониманию фотосинтеза является одной из великих саг биологии. От свечи Пристли и мяты до структур фотосистем с атомным разрешением каждый прорыв углубил нашу признательность за этот элегантный процесс. Сегодня генная инженерия и синтетическая биология предлагают беспрецедентные инструменты для повышения эффективности фотосинтеза, которые могут помочь прокормить растущее население, смягчить изменение климата и производить устойчивое топливо. Тем не менее многое остается неизвестным - особенно тонкое взаимодействие между фотосинтезом, развитием растений и изменением окружающей среды. По мере продолжения исследований обещание использования фотосинтеза для пользы человека становится все ярче, повторяя сам процесс, который он стремится понять.

Внешние ресурсы: