Тайны вещей. Зеленый лист

      Зеленый лист, а также зеленая трава радуют наш глаз и это
прекрасно! Но важно то, что в результате фотосинтеза в листьях (и
траве) образуется органическое вещество, и это начало и основа всей
пищевой цепочки на планете с названием Земля.
      Сразу хочу предупредить читателя, если Вы надеетесь в данной
статье узнать все подробности о биохимических реакциях, имеющих
место в фотосинтезе, то Вас будет ждать разочарование. По большей
части речь пойдет о физике и биологии. Или о биологии и физике.
    Фотосинтез, как известно происходит с помощью хлорофилла.
Хлорофилл — это пигмент, содержащийся в листьях растений,
имеющий зеленый цвет. Какое строение имеет молекула пигмента,
какие атомы входят в состав молекулы пигмента? Во - первых ,
молекула пигмента хлорофилла — большая молекула. Во — вторых
оказывается, что на самом деле существует две разновидности
хлорофилла: хлорофилл a и хлорофилл b. Первый состоит из 55
атомов углерода; 72 атомов водорода; 5 атомов кислорода; 4 атомов
азота; 1 атома магния. Второй состоит из 55 атомов углерода; 70
атомов водорода; 6 атомов кислорода; 4 атомов азота; 1 атома магния.
Как видно, второй отличается от первого тем, что у него на два атома
водорода меньше, и больше на один атом кислорода. Вот такое
незначительное отличие одного хлорофилла от другого. А для чего
природе понадобилось создание двух разновидностей хлорофилла?!
    Вот вам уже первая маленькая тайна зеленого листа... Наверное,
ученые знают эту тайну, но найти объяснение в литературе
практически невозможно, несмотря на то, что еще в 1900 году
ученый Рихард Вильштейн выделил и кристаллизовал две
разновидности хлорофилла и назвал из хлорофиллом a и
хлорофиллом b, за что (за исследования, а не за то, что так назвал) и
получил в 1915 году Нобелевскую премию.
    Итак, зеленые листья... А почему они зеленые? Взрослые, как
им кажется, знают ответ на этот вопрос. Ответ обычно такой —
Потому что в листьях и траве есть хлорофилл, он окрашен в зеленый
цвет, поэтому листья и трава и имеют зеленый цвет. Кстати,
хлорофилл в дословном переводе с греческого — зеленый лист.
    Человек более-менее дотошный на этом не успокоится и наверное
спросит- А почему хлорофилл имеет зеленый цвет? В ответ ему
другой человек, который еще что-то помнит из школьного курса
физики, скажет, что хлорофилл отражает лучи зеленого цвета,
поэтому мы и видим, что листья зеленые. Неугомонный и
любознательный не удовлетворится и этим и спросит - Лучи другого
цвета, как - то: красного; оранжевого; желтого; голубого; синего;
фиолетового они все не отражаются, а поглощаются?! И вот тут, надо
думать, немногие уже смогут ответить...
Правильный ответ будет таким — Хлорофиллом поглощается
свет красный и синий (из спектра солнечного света). В физике есть
такие понятия как спектр излучения и спектр поглощения. Спектр
излучения дают нагретые тела. Слабо нагретые тела дают спектр в
инфракрасном (невидимом для нас диапазоне), сильно нагретые тела
излучают в видимом и ультрафиолетовом спектре. Листья, конечно же
излучают в инфракрасном диапазоне, но для человеческого глаза оно
(излучение) невидимо, и поэтому об инфракрасном излучении и о
спектре излучения дальше речь не пойдет. А вот о спектре
поглощения поговорить стоит...
      Когда учеными был изучен спектр поглощения у хлорофилла,
вот тут -то и выяснилось, что хлорофилл поглощает синий и красный
цвет. Понятно, что если поглощаются синий и красный свет, то
остальные пять отражаются. Отражаются и в сумме при сложении
дают зеленый цвет. Можно попробовать объяснить и по-другому. Как
установил еще великий Ньютон (с помощью призмы) белый свет
состоит из семи цветов. Он же установил, что применив вторую
призму, эти семь цветов можно собрать снова и получить белый свет.
     Позднее физиками было установлено, что белый свет (цвет) можно
получить при сложении (при смешивании) красного, зеленого и
синего светов (цветов) причем взятых в определенной пропорции. В
зависимости от пропорций, взятых этих трех цветов, в цветном
телевидении получается все многообразие цветов и оттенков. В
природе каждое вещество по разному поглощает и отражает лучи
каждого диапазона спектра видимого света. Именно поэтому мы и
наблюдаем буйство различных цветов в природе. И другое
объяснение будет звучать примерно так: если при сложении красного,
зеленого и синего цвета получается белый свет, то если от белого
света отнять красный и синий, то какой из трех цветов останется?
Правильно, зеленый... Самый-самый любознательный, наверное,
спросит — А почему собственно хлорофилл поглощает именно синий
и красный свет? Что в них такого особенного, что хлорофилл
поглощает именно их?!
      Что в них особенного и чем они отличатся от других цветов
радуги (спектра солнечного света) мне известно, но в этом ли
причина их поглощения, мне достоверно не известно. Могу
высказать только свои предположения.
     Итак. Красный свет. Имеет из всех цветов видимого солнечного
спектра самую большую длину волны — 700 нанометров. И что?! -
спросит неравнодушный читатель. Что это дает в практическом
плане?! А вот что... Из физики известно, что чем больше длина
волны, тем легче она огибает препятствия. О каких препятствиях идет
речь? Видимо, о тех структурах, которые находятся в клетках листа.
Это, например, те же самые хлоропласты, в которых содержится
хлорофилл, ядра клеток, и т. д. Причем из физики известно, что
волны видимого спектра света на разных веществах в разной
пропорции поглощаются, отражаются и рассеиваются. А о том, что
могли огибать волны сета красной части спектра поговорим ниже...
       Теперь о синем свете. Какие такие особенности имеет синий свет,
что он занимает особое положение в жизни организмов? Как у
животных, так видимо и у растений...Синий свет стоит в спектре
предпоследним, с краю находится фиолетовый. У фиолетового света
самая маленькая длина волны, примерно 380 — 400 нанометров.
Дальше (с длиной волны меньше 380 нм) идет уже диапазон
ультрафиолетовых лучей. Большие дозы ультрафиолета для живых
организмов вредны, так и соседний фиолетовый свет в больших
количествах для живых организмов будет не подарок. Почему
ультрафиолет и фиолетовый свет оказывают вредное воздействие на
живые организмы, если они в больших дозах? Дело в том, что фотоны
ультрафиолета и фиолетового света имеют большую энергию, по
сравнению с фотонами света красного, тире, света синего. Из физики
известно, что энергия фотона (кванта света) зависит от частоты. Чем
больше частота, тем выше энергия фотона. Длина волны меньше,
частота больше. А значит больше и энергия фотона. Фотон синего
цвета имеет энергию, которая не маленькая, и в тоже время эта
энергия не столь разрушительна, как у фиолетового, скажем так.
      А вообще вся эта история с хлорофиллом началась примерно
2,5 — 3 миллиарда лет назад! Тогда на планете Земля жизнь только
зарождалась, но уже появились сине-зеленые водоросли, они же
цианобактерии. Вот они-то и занялись фотосинтезом, начали
поглощать углекислый газ и выделять в атмосферу кислород,
содержание которого изначально приближалось к нулю. При
дальнейшем развитии жизни на Земле стали появляться растения и
тут произошла удивительная вещь — цианобактерии вступили в
симбиоз с появляющимися растениями — генетический материал
цианобактерий внедрился в растения, и растения обзавелись
хлорофиллом и в них пошел процесс фотосинтеза.
      Как известно сине-зеленые водоросли живут в воде. Вода в
природе может быть относительно чистой, а может содержать какие-
то взвешенные в ней частицы и от этого быть не совсем прозрачной.
Вода вообще в 1000 раз сильнее поглощает солнечный свет, чем
воздух. А если в ней еще есть примеси... Считается, что вода в
природе может на каждый метр глубины поглощать от 5 до 99
процентов света (видимого спектра). Поглощение света в природной
воде в области видимого спектра можно считать как сумму двух
поглощений: 1 — поглощение света взвешенными в воде частицами;
2 — поглощение света оптически чистой водой.
      У чистой морской воды наименьшее поглощение наблюдается
для света с длиной волны около 490 мкм, то есть для синего света.
Потери составляют 1,5 % при пути света длиной в 1 м.
В чистой морской воде для света красного цвета спектра (длина
волны около 720 мкм) поглощение будет наибольшим. Но это для
чистой воды! Если же вода будет содержать взвешенные частицы, то в
соответствии с законами физики, лучше огибать эти взвешенные
частицы будет именно свет красного участка спектра, в силу своей
длинноволновости. Причем размер частиц имеет значение! Речь идет,
разумеется не о частицах миллиметровых размеров, а о частицах,
сопоставимых с длинами волн видимого спектра солнечного света.
Если размер частицы меньше длины волны, то волна сможет ее
огибать и распространяться дальше.
    Считается, что первоначально на планете Земля моря были
мелководными, глубиной всего в несколько метров. Смею
предположить, что они были мутными, ветер тогда практически не
встречал преград и поднимал волны и взмучивал воды морей.
Частички ила, погибших организмов и т. д. А еще добавлялась
вулканическая пыль... Красный свет в таких условиях проникал в
слои воды, а вот остальные составляющие спектра видимого света —
нет. Поэтому можно предположить, что на первоначальном этапе
появления цианобактерий именно красный свет играл главную роль.
По мере появления глубоководных морей картина стала
меняться — цианобактерии начали осваивать большие глубины, и тут
козыри перешли к синему свету. Вот так, на мой взгляд, все и
происходило 2-3 миллиарда лет назад.
      Когда же произошел симбиоз (а было это, примерно, 1 миллиард
лет назад!) цианобактерий с высшими растениями, приверженность
к красному и синему свету сохранилась.
Будет ошибкой и заблуждением считать, что в растениях только
хлорофилл работает на фотосинтез, есть в небольшом количестве и
другой пигмент, но о нем замолвим словечко попозже, а пока будем
говорить о хлорофилле. . Хлорофилл в клетках зеленого листа
растения располагается в органеллах(органоидах), которые
называются хлоропластами. Это круглые или овальные образования
размерами в длину 5-10 мкм, в ширину 2-4 мкм.(Почему-то не
указывается третье измерение — толщина....). Сколько же
хлоропластов содержится в одной клетке высших растений?! Ответ —
от 10 до 30 штук. Хлоропласт имеет двойную мембранную оболочку,
внутри которой в жидкой среде, называемой стромой, находятся
тилакоиды (мембранные образования, в которых находится
электротранспортная цепь хлоропластов). Название тилакоиды
происходит от греческого слова, которое переводится как мешочек.
(Википедия нам в помощь!). Тилакоиды высших растений
группируются в граны, которые представляют собой стопки
сплюснутых и тесно прижатых друг другу тилакоидов (Граны — от
латинского Granum- стопка монет), имеющих форму дисков.
Соединяются граны с помощью ламелл (граны расположены в
шахматном порядке, чтобы лучше освещались падающими на них
лучами света). В хлоропласте может быть от 10 до 100 гран. В строме
присутствуют хлоропластные молекулы РНК, пластидная ДНК,
рибосомы, крахмальные зерна, ферменты цикла Кальвина.
     Для меня интересным показалось то, что тилакоды собраны в
стопку, наподобие стопки монет. Сразу же вспомнилось , что в
сетчатке глаза пигменты в колбочках и палочках тоже расположены в
таких же стопочках. Что это? На случайность совсем не похоже. А
еще мне вспомнилось, что гальванические элементы(батарейки )
соединяются последовательно, чтобы увеличить напряжение. Да, на
наружной поверхности мембран тилакоидов действительно
скапливаются электроны с высокой энергией(которую им добавили
фотоны), а внутри тилакоида (в его полости, называемой люменом)
находятся положительно заряженные ядра водорода и электроны,
получившиеся в результате разложения молекул воды. В литературе
обычно указывается, что внутри образуется(собирается) большой
положительный заряд, что приводит к разнице потенциалов между
наружной поверхностью и внутренней поверхностью мембраны
тилакоида в 200 милливольт(по другим данным 50 милливольт). Как
- то далеко не во всей литературе упоминается, что при разложении
молекул воды положительные и отрицательные заряды образуются в
равных количествах! Почему же тогда во внутренней полости
тилакоида по факту только одни протоны водорода наблюдаются?!
Тайна?? В общем - то нет. В литературе есть объяснение.
      Оказывается, что в тилакоидах есть фотосистема I и фотосистема II. В
фотосистеме I электроны получают энергию от фотона, и уходят,
образуется дырка, в нее приходит электрон из фотосистемы II. В
дырку образовавшуюся в фотосистеме II приходит электрон,
образовавшийся в процессе разложения молекулы воды.Таким
образом, внутри полости тилакоида получается преобладание
положительных зарядов. Но мало того — во внутреннюю полость
тилакоида поступают еще протоны из стромы, и не в малом
количестве. Надо сказать, что в литературе как - то не акцентируется
внимание на том, что движущей силой во всех главных процессах,
происходящих в живой клетке, являются протоны! Это и дыхание, и
синтез АТФ, и фотосинтез. Сначала протоны накапливаются, как вода
плотиной, создается градиент электрического поля, а потом протоны
начинают выполнять свою работу! И здесь, физики не дадут соврать,
не следует путать напряжение(50-200 милливольт) и напряженность
электрического поля. Напряженность электрического поля равняется
напряжению, точнее разности потенциалов , деленному на
расстояние. Толщина стенки мембраны тилакоида примерно 5
нанометров. Произведя вычисление, получаем миллионы вольт на
метр. Как в грозовом облаке!
        Несмотря на всю кажущуюся привлекательность идеи, что
тилакоиды собраны в стопку для увеличения напряжения, пришлось
по размышлению от нее отказаться. Интересно, что в литературе
нигде не объясняется, почему тилакоиды собраны в стопку(граны). И
уж, конечно, нигде не объясняется, имеются ли в нашей повседневной
жизни аналоги таких сборок. И, знаете, мне удалось найти такой
аналог! Да, его все прекрасно знают — это батарея отопления! Она
(батарея отопления) собрана из элементов, которые как раз собраны в
стопочку. Через боковые стенки этих элементов в комнату идет тепло.
В тилакоиде через боковую стенку(мембрану, а точнее поры в ней )
идет движение между внутренней частью тилакоида и стромой.
Фотосинтез имеет две фазы — световую и темновую. Понятно,
что световая — это та, где участие принимает свет, точнее фотоны
света. Весь процесс фотосинтеза вещь весьма и весьма сложная,
многостадийная, поэтому в данной статье коснемся только некоторых
моментов, которые мало связаны с биохимией, а связаны скорее с
физикой (биофизикой). Основное действие в световой фазе
происходит на поверхности и внутри тилакоидов. Фотон
улавливается, понятное дело, на наружной поверхности тилакоида. А
это очень-очень не простая операция! Напомню, фотон света летит в
пространстве с огромной скоростью — 300000 км в секунду!
Попробуй - ка его поймай! Чуть замешкался — а он уже пролетел
мимо! А если пойман — то все происходит очень быстро — за
фемтосекунду! Фемтосекунда — это десять в минус пятнадцатой
степени! А как же иначе — при такой- то скорости! А чтобы поймать,
тилакоид имеет специальную группу- ассоциацию из пигмента
(хлорофилла) и белков. И это устройство так и называется — антенна
и состоит эта антенна из 200-300 молекул хлорофилла. Итак ,
антенна перехватывает летящий фотон и соединяет? его с атомом
хлорофилла. Интересно — каким именно?! Ведь в молекуле
хлорофилла много атомов. Это и атомы водорода, кислорода, азота, а
также имеется один атом магния. Многими отмечается удивительное
сходство между хлорофиллом и гемоглобином. Разница заключается
лишь в том, что у гемоглобина вместо атома магния — атом железа.
В результате взаимодействия фотона с атомом, электрон этого
атома получает энергию фотона, возбуждается и переходит на более
высокую орбиту, то есть фактически удаляется от атома. Его
заботливо перехватывает специальный белок и тащит
(транспортирует) в так называемую фотосистему. Пока электрон
транспортируется, часть его энергии тратится на полезное дело, часть
превращается в тепло, но большая часть энергии все- таки остается
при нем. Вот интересно, как бы это представить — отделение части
энергии от электрона! С чем бы это можно было бы сравнить в нашей
макрожизни?!
        Но самым интересным моментом во всей этой истории с
фотосинтезом, для меня является фотолиз — разложение молекул
воды на атомы водорода и кислорода. С какой кажущейся легкостью
происходит разложение молекул воды на атомы водорода и
кислорода! Вот бы человеку научиться с такой легкостью это делать!
Весьма примечательно, что в литературе в этом пишется всего
несколько строчек — в результате фотолиза молекулы воды
распадаются на атомы водорода и кислорода. Правда, еще можно
найти информацию, что вы этом действии принимает участие ион
марганца. И всё! А каков механизм? Ведь именно это главное. И
интересное! Проводились ли опыты, в которых пытались
воспроизвести подобное, образно говоря в пробирке?! Человечество,
владея этим секретом не знало бы проблем с энергетикой!
       Знаете, буквально сегодня мне пришла в голову мысль, что
пожалуй и не надо человечеству идти в вопросе разложения воды по
стопам природе. В тилакоиде одних белков (их разновидностей) как
минимум 335 штук! А кроме белков, там чего еще только нет!
Человечество уже знает простой способ разложения воды с помощью
электрического тока. Да, он не дает выигрыша в экономическом
плане. Да, нужен другой способ, экономически более выигрышный,
но при этом совсем не обязательно копировать природу. И такой опыт
у человечества есть. Я имею в виду в первую очередь
воздухоплавание. Сначала были попытки копировать природу — с
помощью машущих крыльев. Но двигатель и пропеллер, а затем
реактивные двигатели позволили достичь таких успехов, таких
параметров (скорость, грузоподъемность, и т. д.), которые при слепом
копировании природы, были бы невозможны...
      Выполняя обещание данное выше, несколько слов о других
пигментах, находящихся в листе, и о их роли. Другие пигментов —
это каротиноиды. Их предназначение заключается в улавливании (в
сильно ограниченном количестве) фотонов других областей видимого
света и передаче этой энергии хлорофиллу. А также защите структур
фотосистемы I и II от пагубного для всего живого действия
кислорода, не будем забывать, что кислород один из сильнейщих
окислителей. А каротиноиды — мощнейший антиоксидант...
Заглянул на ютюб, посмотрел ролики. В США ученый - физик
(с коллективом) 25 лет занимается проблемой фотолиза. Пока ему
удалось, как он сам говорит, сделать маленький шажок. В
лаборатории с помощью лазера и катализатора из тория удалось в
колбочке разлагать воду на водород и кислород. Но в промышленных
масштабах этот способ будет не осуществим — торий весьма и
весьма дорогой химический элемент.
        Но вернемся к световой фазе . Она как бы является
подготовительной. В результате световой фазы получается
положительно заряженные атомы водорода(протоны), выделяется
побочный продукт — кислород, и на поверхности (или вблизи её?)
наружной мембраны тилакоида происходит восстановление АДФ до
АТФ.
         В темновой фазе происходит самое важное — углекислый газ в
строме реагирует с водой(с водой — так говорят для школьников, на
самом деле не с водой а с носителем протонов водорода, НАДФН+)
благодаря энергетической помощи со стороны АДФ и в результате
образуется глюкоза(излишки которой затем преобразуются в
крахмал). Глюкоза органическое соединение (углевод), состоящее из:
углерода - 6 атомов; водорода — 12 атомов; кислорода — 6 атомов.
На самом деле реакция фотосинтеза(в темновой фазе), это целый ряд
реакций, который носит название цикл Кальвина. За данное
открытие(исследования) американский ученый Мелвин Кальвин
получил в 1961 году Нобелевскую премию. Рассказывать о цикле
Кальвина не входит в мою задачу, желающие узнать в подробностях
все о цикле Кальвина могут сделать это с помощью учебников по
биохимии (или в интернете...). Хочется только добавить, что темная
фаза не означает, что это происходит ночью, в темноте, а означает, что
это происходит без непосредственного участия света. И еще хочется
остановиться на таком моменте, как проникновение в строму молекул
углекислого газа. С каких таких коврижек молекулы углекислого газа
вдруг попрутся в строму? Находились себе в составе воздуха и вдруг
каким - то чудесным образом молекулы углекислого газа вдруг
отделяются от остальных молекул воздуха, а затем вступают в
реакции цикла Кальвина? Объясняется это следующим образом -
происходит фиксация молекул углекислого газа с помощью фермента,
который называется рибулозобифосфаткарбоксилаза. Уж, извините,
не удержался, чтобы не привести такое название! Но, собственно
говоря, я его привел для того, чтобы прояснить для себя и для
читателя тайну нахождения в молекуле хлорофилла атома магния.
Оказывается, ионы магния способствуют присоединению углекислого
газа(к остатку лизина).
        Закончить повествование сие хочется переходя снова на лирику.
Золотая осень ! Любимое время года для многих. Люблю я пышное
природы увядание, в багрец и золото одетые леса...
Возможно не все знают, почему осенью листья становятся
желтыми и красными. Осенью, когда деревья готовятся к зимнему
отдыху, перед листопадом, хлорофилл заканчивает свою работу и
начинает распадаться. Зеленый цвет исчезает и становятся видимыми
пигменты каротиноидов(каротиноиды — это общее название группы
пигментов), которые и дают желтый и оранжевый цвет.
Ну, а красный цвет листьям придает пигмент антоциан, который
создается в листе на стадии, когда происходит расщепление
хлорофилла.                12 июня 2022 г. 
          P.S. А сейчас будет раскрыта маленькая тайна - почему в зеленым листе две разновидности хлорофилла (a и b). Дело в том, что хлорофилл a отвечает за поглощение красного света, а хлорофилл b соответственно синего. Сейчас в теплицах растения подсвечивают красным и фиолетовым светом(фиолетовый близок к синему).Оказалось, что растения растут лучше, если их освещают одновременно и красным и синим светом. А также, наверное, стоит отметить что каждая фаза развития растений требует своего  процентного соотношения красного и синего света.