Загадка фотосинтеза — решение близко?

О том, что растения умеют усваивать углекислоту из воздуха, знает каждый школьник. Из углекислого газа и воды растения синтезируют углеводы, необходимые для строительства клеток. Однако строительный материал — похоже, не единственная роль, которую играет СО2 в процессе фотосинтеза. В этом необходимо досконально разобраться. Вот почему фонд CRDF и Агентство «Роснаука» поддержали ученых из подмосковного академгородка Пущино, изучающих механизм фотосинтеза.

В общих чертах процесс фотосинтеза, то есть реакция образования углеводов из углекислого газа в растениях, сопровождающаяся выделением в атмосферу свободного кислорода, конечно, знаком каждому школьнику. В самом простейшем варианте — СО2 плюс Н20 получается глюкоза плюс кислород. Но эта простота — кажущаяся. На бытовом уровне все как будто понятно: человек использует кислород и выдыхает СО2, а растения — наоборот, усваивают из воздуха СО2, а обратно в атмосферу выделяют кислород. Если же попытаться понять механизм процесса на молекулярном уровне, все оказывается куда сложнее, а местами вообще до сих пор совершенно не понятно даже для специалистов. Разобраться в механизме явления как раз пытаются, и весьма небезуспешно, сотрудники Института фундаментальных проблем биологии РАН (г. Пущино) и их заокеанские коллеги из Принстонского университета (США).

Сравнительно недавно ученые из Пущино выяснили, что углекислый газ — это не только субстрат, то есть исходный строительный материал для синтеза углеводов. У него, оказывается, есть еще одна чрезвычайно важная роль — он участвует в процессе окисления воды, том самом, благодаря которому и получается свободный кислород. Без него встроенный во внутреннюю мембрану хлоропластов сложный комплекс белков и пигментов — водоокисляющий комплекс фотосистемы-2 — работает плохо — не окисляет воду, а значит, и не выделяет кислород. Правда, участвует в этом процессе, строго говоря, не сам углекислый газ, а бикарбонат-ион, который получается при растворении газа в воде.

Несмотря на усилия многих научно-исследовательских лабораторий в мире, механизм фотосинтетического окисления воды не до конца выяснен. В этом и надеются разобраться совместными усилиями ученые из Пущино и Принстона. Основная цель сотрудничества — выяснение молекулярного механизма участия ионов бикарбоната в функционировании водоокисляющего комплекса фотосистемы-2 с использованием физических и химических методов.

«Взаимная выгода, которую мы ожидаем от сотрудничества, основана на комплементарности подходов, используемых в нашей пущинской группе и в группе из Принстона. Иначе говоря, они удачно дополняют друг друга, — говорит руководитель проекта профессор Вячеслав Климов. — Принстонская группа имеет большой опыт в неорганическом синтезе, в использовании физико-химических методов. В частности, у них есть ЭПР-спектрометр с огромными, ранее недостижимыми возможностями. А в нашей группе накоплен колоссальный опыт по выделению, очистке и изучению препаратов фотосистемы-2». Ну а результаты такого сотрудничества нужны нам всем, человечеству в целом. Полученные результаты будут важны как для понимания молекулярного механизма фундаментального биологического процесса, имеющего большое значение для устойчивости и развития биосферы, так и для понимания основ устойчивости растений к действию неблагоприятных факторов внешней среды (экстремальные температуры, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, детергенты), поскольку система окисления воды — наиболее легко уязвимое звено фотосинтетического аппарата растений.

Ведь знание открывает новые возможности. Например, использовать опыт растений и научиться делать углеводы прямо из воздуха, при этом ничем не травмируя окружающую среду. Так и проблемы с бензином можно будет решить, и голодающих накормить. Фантазии, конечно. Или пусть не очень близкая, но реальность?