Валерий Гуров - Сотворение мира

Механизм фиксации энергии излучения с последующей его утилизацией в энергию химических связей представляется более сложным, чем использование геотермального тепла для тех же целей. Тем более что геотермальные источники уже предполагают наличие среды, насыщенной солями металлов. Поэтому и первые биоорганические структуры, скорее всего, возникли в этой среде. Реликтами тех первичных структур являются хемолитотрофные организмы, дошедшие до наших дней. И в частности тионовые и серобактерии.

Серобактерии окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты.

Тионовые бактерии способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты (часто с существенным понижением pH раствора), процесс окисления отличается от такового у серобактерий (в частности тем, что тионовые бактерии не откладывают внутриклеточной серы). Некоторые представители тионовых бактерий являются экстремальными ацидофилами (способны выживать и размножаться при понижении рН раствора, способны выдерживать высокие концентрации тяжелых металлов и окислять металлическое и двухвалентное железо).

Именно на прототипах таких бактерий природа создавала и совершенствовала структуру клеток. Но запасы сероводорода на Земле достаточно ограниченны, да и геологические процессы, происходящие на Земле, рано или поздно меняли среду. Геотермальные источники исчезали, создавая для популяции хемолитотрофных клеток крайне неблагоприятную среду, включая в таких клетках приспособительные реакции выживания в изменяющейся среде. Одним из эффективных способов выживания клеток стал переход с термальных источников энергии на энергию излучения Солнца. Основой такого перехода послужил белок хлорофилл. Это совершенная структура, созданная природой, по превращению энергии излучения Солнца в биоэнергию белковых тел. Для функционирования молекулы хлорофилла в процессах фотосинтеза существенное значение имеет ее пространственная организация. Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм 2. Эта пластинка и воспринимает кванты света. Ведущую роль при этом в поглощении квантов света играет ион магния. Поглощенный им квант света переводит связанные с ионом электроны на такой энергетический уровень, который позволяет им продвигаться по атомам молекулы и преобразовывать валентные связи ее отдельных атомов таким образом, что они вступают в восстановительную реакцию с водой, высвобождая кислород и поглощая протоны. Часть же возбужденных электронов просто рекомбинирует, выделяя тепловую энергию. В дальнейшем, такая энергетически возбужденная и нагруженная активными протонами молекула хлорофилла вступает в химическое взаимодействие с другим химическими элементами, производя новые химические соединения, требующие энергетических затрат. Но и это не все.

Как правило, молекулы хлорофилла своими длинными алифатическими остатками фитола (2 нм), образующим угол с порфириновым кольцом, прикреплены к мембранам. Выше отмечалось, что такое прикрепление создает участок проводимости в мембране, по другую сторону которой другими ионами металлов создается потенциал, достаточный для продвижения электронов по белковой цепи и выходу их за мембрану, где они используются белковыми структурами для синтеза энергетически-емких соединений- молекул АТФ.

Молекулы АТФ, в свою очередь, являются универсальным источником энергии для работы белковопроизводящих органелл – рибосом. Таким образом, молекула хлорофилла может выступать не только в роли первичного акцептора электрона, но и в роли его первичного донора.

Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:

1) избирательно поглощать энергию света;

2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения;

3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений.

В эволюционировавших биологических системах молекулы хлорофилла, начиная пусковую стадию фотосинтеза, взаимодействуют со средой не в одиночку, а сгруппировавшись в фотосистемы I и II.

Процесс фотосинтеза высокоэнергетической органики параллельно запустил еще три очень важных механизма.

Первый. Часть поглощенной энергии излучения Солнца в процессе фотосинтеза передавалась природной среде через свободные молекулы кислорода и обеспечивала энергетикой через окислительные реакции другие биологические системы, никак не связанные с преобразователем энергии Солнца.