Жизнь на Земле держится всего на четырёх атомах марганца

Как растения производят кислород? Задачка для школьного учебника, как кажется. Если вы думаете, что механизм фотосинтеза объяснён в полной мере, то вы ошибаетесь. Оказывается, природа ещё хранит в тайне самый ответственный момент в этом многоступенчатом процессе.

Разгадать этот секрет пытаются биохимики из американской национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab).

"Комплекс марганца произвел весь кислород, от которого зависят сегодняшние формы жизни, — говорит Виттал Ячандра (Vittal Yachandra), возглавляющий программу исследования уникального биологического механизма под названием "выпускающий кислород комплекс" (oxygen-evolving complex — OEC). — Это изменило курс развития всей жизни".

Учёный подразумевает, что два с половиной миллиарда лет назад бактерии, подобные современным цианобактериям, как-то наткнулись на способ разрушать воду на молекулы кислорода и водород, и кислород впервые начал накапливаться в атмосфере.

Удивительно. За прошедшие миллиарды лет жизнь претерпела сложнейшую эволюцию — только сердцевина процесса фотосинтеза осталась абсолютно неизменной — всего несколько па из сложного танца ионов, фотонов и электронов — средоточие проблемы существования жизни на планете.

Что же это за комплекс OEC? Тут нам придётся совершить мини-путешествие, подобное тому, что выпало на долю сказочного героя, который искал смерть Кощея.

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

У хлоропластов есть так называемые тилакоидные мембраны.

На этих мембранах закреплены огромные 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 невозможен — это своего рода игла, до которой современные биологи так и не добрались.

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

Тут-то мы и подходим к острию исследований фотосинтеза — как именно OEC проворачивает свой фокус и как собственно этот комплекс выглядит.

Известно уже немало. Например, состав комплекса — в его основе лежат четыре иона марганца, один ион кальция, и несколько атомов кислорода (не тех, что мы будем "создавать", разлагая воду, а внутренних, неразменных).

Но, увы, их взаимное расположение, как и детали взаимодействия со светом и водой — пока не поддались открывателям ларцов и прочих уток.

Какие только методы здесь ни применяли (и применяют) — и различные виды рентгена, и магнитный резонанс, и кучу других способов заглянуть в самые глубины сложных молекулярных комплексов.

Зато уже удалось узнать, что создание молекулы кислорода идёт в несколько шагов. При этом OEC действует, как конденсатор — поэтапно накапливает заряд, чтобы потом одним скачком разрядиться и направить эту энергию для синтеза кислорода.

	Цикл превращений группы атомов марганца (иллюстрация с сайта lbl.gov).

Первые три шага (от S0 до S3) — это последовательный захват квантов света с освобождением электронов, в результате чего комплекс превращается уже в набор одного MnIII и трёх MnIV (плюс, конечно, кислород и кальций).

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

Что дальше — неизвестно. Ясно только, что происходит ещё два шага — S3-S4 и возврат: S4-S0. В результате чего комплекс перепрыгивает в исходное 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 длинной цепочке биохимических реакций, приводящих к усвоению углерода и росту растения.

Как именно комплекс раскалывает воду и формирует связь двух атомов кислорода — пока тайна.

Учёные из лаборатории Беркли пробуют разгадать её весьма любопытным образом.

Сначала они идут в супермаркет и покупают пакеты со свежим шпинатом.

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

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

В установке царит непроглядная тьма. Но вот учёные дают короткий импульс лазерного света. Группа атомов OEC перескакивает из нулевого состояния в первое. Но вот дальше происходит заминка — новых порций фотонов-то нет.

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

Затем, записав результат опыта, учёные снова возвращают раствор в первую установку и дают ещё один импульс лазера — для перевода системы в следующее состояние. И так далее.

Комбинируя все возможные данные, экспериментаторы составляют карты электронной плотности — и пытаются понять взаимное положение атомов в комплексе и их взаимодействие.

На дне океана находят полезные ископаемые, содержащие комплексы марганца и кислорода, напоминающие OEC. Возможно, древние бактерии на первых порах использовали подобные соединения для облегчения фотосинтеза (иллюстрация с сайта lbl.gov).

Вот незадача — даже пространственная структура OEC сейчас существует лишь в виде гипотетических вариантов. Для того, чтобы разглядеть остриё иглы существующим методам кристаллографии, не хватает разрешающей способности. Нужно поднять её ещё немного.

Именно этот последний и самый трудный шаг пытаются сделать в Беркли. Учёные говорят, что близки к разгадке, как никогда ещё не были за последние 15 лет, что экспериментаторы колдуют над разгадкой фотосинтеза.

Вот тогда можно будет свысока смотреть на все предыдущие эксперименты с фотосинтезом, а заодно — с созданием разнообразных фотоэлектрических панелей.

Ведь в руках у человечества окажется сокровенная сердцевина процесса, поддерживающего саму жизнь на Земле.

И производство водорода (для использования в качестве топлива) из воды станет лёгким, и можно будет создавать искусственные деревья, не только поглощающие парниковые газы, но и вырабатывающие живительный кислород.

Насколько это может кардинально изменить развитие цивилизации, её взаимоотношения с природой — страшно даже представить.

Удивительно, что речь идёт всего-то о нахождении взаимного расположения и механизме взаимодействия нескольких атомов в комплексе OEC — фактически — в единственной молекуле с химической формулой Mn4O4Ca.