На Земле работают природные химические фабрики, в колоссальных количествах производящие химические вещества за счет энергии света — фотосинтезирующие организмы. Растения и фитопланктон поглощают 300 млрд тонн углекислого газа ежегодно, выделяя при этом 200 млрд тонн кислорода.
Фото: Роман Яровицын, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Роман Яровицын, Коммерсантъ / купить фото
И это лишь оксигенирующие организмы — те, что в ходе эволюции научились окислять воду, выделяя из нее кислород. Более эволюционно ранние организмы такие превращения осуществлять не могут и живут за счет окисления других веществ, например сероводорода или соединений железа. Строение фотосинтезирующих организмов и условия их обитания очень разнообразны, но принципы, на основе которых они используют свет для синтеза химических веществ, во многом похожи. Изучение этих принципов позволяет лучше понять то, как устроена живая природа, а их воплощение на практике — создать искусственные преобразователи световой энергии.
Фотосинтез — сложный многостадийный процесс, который можно разделить на две фазы — световую и темновую. Световая фаза состоит в использовании энергии света для синтеза универсальной энергетической «валюты» живых клеток — аденозинтрифосфата (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН). Во время темновой фазы запасенная в этих веществах энергия расходуется на синтез углеводов и других органических веществ. Несмотря на название, темновая фаза может протекать и днем и ночью. Световая же фаза возможна лишь при освещении и протекает в специализированных комплексах органических пигментов с белком, которые называются фотосистемами.
Фотосистемы — сложноорганизованные структуры, находящиеся в клеточных (у некоторых бактерий) или внутриклеточных (у растений) мембранах. Они очень малы — всего несколько нанометров? но по химическим меркам они огромны и состоят из сотен тысяч атомов. Функционально фотосистемы состоят из двух типов частей — фотоантенн и реакционного центра. Задача фотоантенн — уловить квант света и передать его энергию в виде порции электронного возбуждения (так называемого экситона) реакционному центру. Попавший в реакционный центр экситон вызывает перенос электрона из одной его части в другую, что приводит к возникновению электрического потенциала по разные стороны мембраны, в котором находится фотосистема. Этот потенциал и является той движущей силой, которая вызывает химические превращения.
Поскольку даже в яркий солнечный день фотоны попадают на фотосистему не так уж часто, фотоантенны составляют ее большую часть. Каждая из них содержит десятки, а иногда и сотни молекул пигментов — зеленых хлорофиллов и желто-оранжево-красных каротиноидов, удерживаемых друг относительно друга в определенном положении белком. На один реакционный центр приходится несколько фотоантенн, и их количество может меняться — так фотосинтезирующие организмы приспосабливаются к разным условиям освещенности. Несмотря на внушительные размеры фотосистем, экситон, возникший после поглощения света в любой из фотоантенн, с вероятностью более 90% дойдет до реакционного центра, и притом за очень короткое время — за 10–12–10–10 секунд. Как ему это удается, учитывая, что состояние электронного возбуждения очень нестабильно и склонно к быстрой релаксации, то есть полному рассеиванию своей энергии?
Оказывается, белок в фотосистемах выполняет не только структурную роль. За счет специфических взаимодействий белок меняет энергию возбуждения хлорофиллов таким образом, что она немного понижается по мере приближения к реакционному центру. Благодаря этому движение экситона в фотосистеме больше похоже на течение реки, чем на случайные блуждания: он все время перемещается в сторону молекул с меньшей энергией возбуждения и рано или поздно приходит к той ее части, где эта энергия наименьшая,— реакционному центру. При этом на каждом шаге часть энергии экситона рассеивается в белке. Такой механизм обеспечивает направленность переноса и его высокую скорость. Однако у этого механизма есть цена: энергия, дошедшая до реакционного центра меньше, чем та, которой изначально обладал поглощенный фотон. Белок также выполняет и защитную функцию, служа своего рода термостатом: в том случае, если экситон все-таки не дошел реакционного центра, его энергия рассеивается по белковой молекуле, что предотвращает повреждение пигментов фотосистемы.
Из-за больших размеров фотосистемы непросто выделять и изучать на практике. Впервые трехмерная структура компонентов фотосистем с атомным разрешением была установлена лишь в 1990-х годах, и примерно в это же время появилась техническая возможность изучения динамики экситона в них спектроскопическими методами. В этой ситуации полезную информацию дают теоретические методы исследования.
На химическом факультете МГУ ведутся работы по моделированию работы природных фотосистем и разработке их искусственных аналогов. Для описания работы таких объектов и предсказания их эффективности необходим учет множества факторов, включая взаимное расположение пигментов и энергию их электростатического взаимодействия, свойства среды, в которой они находятся, температуру и многих других. Также разными могут быть и желаемые параметры функционирования: для аккумулирования энергии необходимы ее малые потери в среде при переносе экситона, а если последний служит переносчиком сигнала, то важнее становятся скорость переноса и малая вероятность релаксации.
Распределение заряда в молекуле хлорофилла b
Распределение заряда в молекуле хлорофилла b
Описание фотосистем и процессов, составляющих световую фазу фотосинтеза, возможно только на основе квантовой механики. Одно из ключевых отличий квантовой механики от классической, с проявлениями которой мы сталкиваемся в быту, является то, что у квантовой системы возможны не любые энергетические состояния, а только определенные, или, как говорят, дискретные. Соответственно, и переходы между этими состояниями также сопровождаются испусканием или поглощением строго определенного количества энергии. Это справедливо и для пигментов (благодаря чему каждый из них имеет определенный цвет), и для белка, колебательные состояния которого также квантуются. Квантовомеханический анализ работы фотосистем показывает, что структура белка в них тонко подстроена под остальные компоненты. Каждый переход экситона от пигмента к пигменту сопровождается рассеянием небольшого количества энергии, которая в точности достаточна для перевода близлежащих атомов белка на один колебательный уровень выше. За счет этого достигается высокая скорость переноса экситона. Этот механизм был выработан фотосинтезирующими организмами в ходе эволюции. Подобная структурная сложность среды, в которую погружены пигменты, пока недостижима для искусственных фотосистем, поэтому они уступают по характеристикам своим природным прототипам.