Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

Разгадать этот секрет пробуют биохимики из американской государственной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).

"Комплекс марганца произвел весь кислород, от которого зависят нынешние формы жизни, — гласит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программку исследования уникального био механизма под заглавием "выпускающий кислород комплекс" (oxygen-evolving complex — OEC). — Это изменило курс развития всей жизни".

Учёный предполагает, что два с половиной млрд годов назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то натолкнулись на метод разрушать воду на молекулы кислорода и водород, и кислород в первый раз начал скапливаться в атмосфере.

Умопомрачительно. За прошедшие млрд лет жизнь перетерпела сложнейшую эволюцию — только сердцевина процесса фотосинтеза осталась полностью постоянной — всего несколько па из сложного танца ионов, фотонов и электронов — средоточие трудности существования жизни на планетке.

Что все-таки это за комплекс OEC? Здесь нам придётся совершить мини-путешествие, схожее тому, что выпало на долю сказочного героя, который находил погибель Кощея.

Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

Общая схема фотосинтеза и один из предполагаемых вариантов структуры OEC (иллюстрация с веб-сайта lbl.gov).

Итак, мы имеем зелёный лист, снутри которого есть клеточки, снутри которых содержатся органоиды по имени хлоропласты. Наличие аккумулирующего световую энергию хлорофилла опустим для простоты. Мы идём ещё поглубже.

У хлоропластов есть так именуемые тилакоидные мембраны.

На этих мембранах закреплены большие группы сложных белков. Таких групп две — "фотосистема I" и "фотосистема II" (PSI и PSII). А в недрах PSII находится комплекс OEC, без которого фотосинтез был бы неосуществим — это собственного рода игла, до которой современные биологи так и не добрались.

Что все-таки эта игла делает? Она раскалывает воду на молекулы кислорода, ионы водорода и свободные электроны, используя энергию света.

Тут-то мы и подходим к острию исследовательских работ фотосинтеза — как конкретно OEC проворачивает собственный фокус и как фактически этот комплекс смотрится.

Понятно уже много. К примеру, состав комплекса — в его базе лежат четыре иона марганца, один ион кальция, и несколько атомов кислорода (не тех, что мы будем "создавать", разлагая воду, а внутренних, неразменных).

Но, как досадно бы это не звучало, их обоюдное размещение, как и детали взаимодействия со светом и водой — пока не поддались открывателям ларцов и иных уток.

Какие только способы тут ни применяли (и используют) — и разные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу других методов заглянуть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.

Зато уже удалось выяснить, что создание молекулы кислорода идёт в пару шажков. При всем этом OEC действует, как конденсатор — поэтапно копит заряд, чтоб позже одним скачком разрядиться и навести эту энергию для синтеза кислорода.

Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

Цикл перевоплощений группы атомов марганца (иллюстрация с веб-сайта lbl.gov).

У комплекса существует 5 состояний — от S0 до S4. В S0 два из четырёх ионов марганца имеют положительный заряд в четыре единицы (это ионы MnIV), в то время как другие два иона имеют заряд плюс три (MnIII) и плюс два (MnII) соответственно.

1-ые три шага (от S0 до S3) — это поочередный захват квантов света с освобождением электронов, в итоге чего комплекс преобразуется уже в набор 1-го MnIII и трёх MnIV (плюс, естественно, кислород и кальций).

При всем этом один из атомов кислорода, из состава комплекса, также теряет электрон.

Что далее — непонятно. Ясно только, что происходит ещё два шага — S3-S4 и возврат: S4-S0. В итоге чего комплекс перепрыгивает в начальное состояние, а вода, попадающая в пределы фотосистемы II, разлагается на нейтральный кислород и ион водорода.

Высвобождённые в течение всех этих шагов электроны транспортируются в соседнюю белковую систему PSI, где участвуют в длинноватой цепочке биохимических реакций, приводящих к усвоению углерода и росту растения.

Как конкретно комплекс раскалывает воду и сформировывает связь 2-ух атомов кислорода — пока потаенна.

Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её очень любознательным образом.

Поначалу они идут в гипермаркет и приобретают пакеты со свежайшим шпинатом.

Растение размалывают в водянистую кашицу, разбавляют и помещают раствор в установку.

Оказывается, даже в таком виде, когда структура растения практически разрушена до основания, молекулярные комплексы OEC ещё "живут" и сохраняют способность к синтезу кислорода из воды.

В установке царствует непроглядная тьма. Но вот учёные дают маленький импульс лазерного света. Группа атомов OEC перескакивает из нулевого состояния в 1-ое. Но вот далее происходит задержка — новых порций фотонов-то нет.

Тогда исследователи замораживают раствор и помещают его в установку магнитного резонанса либо установку рентгеновской кристаллографии.

Потом, записав итог опыта, учёные опять возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера — для перевода системы в последующее состояние. И т.д..

Сочитая все вероятные данные, экспериментаторы составляют карты электрической плотности — и пробуют осознать обоюдное положение атомов в комплексе и их взаимодействие.

Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

На деньке океана находят полезные ископаемые, содержащие комплексы марганца и кислорода, напоминающие OEC. Может быть, древнейшие бактерии на первых порах использовали подобные соединения для облегчения фотосинтеза (иллюстрация с веб-сайта lbl.gov).

Как уже говорилось выше, разным группам исследователей это отчасти удалось, но все пока спотыкнулись на состоянии S3. Образно говоря, в нашей иголке, что хранилась в утином яичке, удалось рассмотреть ушко и даже среднюю часть, а самое-самое остриё как и раньше не видно.

Вот незадача — даже пространственная структура OEC на данный момент существует только в виде гипотетичных вариантов. Для того, чтоб рассмотреть остриё иглы имеющимся способам кристаллографии, не хватает разрешающей возможности. Необходимо поднять её ещё малость.

Конкретно этот последний и самый тяжелый шаг пробуют сделать в Беркли. Учёные молвят, что близки к разгадке, как никогда ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.

Именно тогда можно будет свысока глядеть на все прошлые опыты с фотосинтезом, а заодно — с созданием различных фотоэлектрических панелей.

Ведь в руках у населения земли окажется заветная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.

И создание водорода (для использования в качестве горючего) из воды станет лёгким, и можно будет создавать искусственные деревья, не только лишь всасывающие парниковые газы, да и вырабатывающие животворный кислород.

Как это может кардинально поменять развитие цивилизации, её отношения с природой — жутко даже представить.

Умопомрачительно, что речь идёт всего-то о нахождении обоюдного расположения и механизме взаимодействия нескольких атомов в комплексе OEC — практически — в единственной молекуле с хим формулой Mn4O4Ca.

Похожие статьи: