Животворящий свет

Обретя 2,4 миллиарда лет назад способность к фотосинтезу, крошечные цианобактерии фактически создали Землю и всё, что на ней есть

Кислородная революция

Большинство специалистов полагают: спустя всего 1 млрд. лет с момента своего формирования Земля уже была обитаема. Тогда, около 3,5 млрд. лет назад, сотрясаемую извержениями вулканов и практически лишенную кислорода молодую планету сделали своим домом особо стойкие бактерии (хемотрофы), которым этот газ был не только не нужен, но даже вреден. 
Все изменилось по прошествии другого миллиарда лет, когда прародители сегодняшних цианобактерий обрели способность к фотосинтезу. Другими словами, они научились самостоятельно получать всю необходимую им энергию (в форме углеводов), используя лишь углекислый газ, солнечный свет и воду.
Гораздо более важным оказалось другое – побочным продуктом «изобретенного» процесса фотосинтеза явился кислород. 
Как результат, жизнедеятельность сначала цианобактерий, а затем морских водорослей привела к тому, что количество этого газа в атмосфере стало неуклонно расти, стабилизировавшись на нынешнем (около 21%) уровне лишь около 500 млн. лет назад. 
Этот период в истории Земли ученые называют «кислородной революцией». Дело в том, что глобальное изменение состава атмосферы поставило все обитавшие в тот период одноклеточные организмы перед выбором – приспособиться к новым условиям. Исчезнуть навсегда или выжить, спрятавшись от губительного для них действия кислорода (например, на дне океана). 
К счастью для нас, многие из тогдашних бактерий сумели принять новые правила игры и включить кислород в свой метаболизм (обмен веществ), тем самым положив начало жизни на Земле, какой мы ее знаем сегодня.

Вместе – навсегда
Изучение окаменелостей свидетельствует, что первые растения вышли на сушу около 450 млн. лет назад, а задолго до этого (приблизительно 1,2 млрд. лет назад) моря уже населяли простейшие одноклеточные водоросли. 
Общепринято считать, что их появлением мы обязаны симбиотическим (взаимовыгодным) отношениям, возникшим около 1,5 млрд. лет назад между цианобактериями и древними хищными микробами. Последние научились поглощать фотосинтезирующие бактерии и, содержа их, как пленников, внутри себя, использовать добываемую ими энергию для своих нужд. 
В конечном счете, в ходе эволюции захваченные цианобактерии полностью потеряли свободу, превратившись в хлоропласты – один из специализированных отделов клетки (органелл), в котором у нынешних растений и осуществляется весь процесс фотосинтеза.

Фундамент и надстройка
Так или иначе, практически все живые организмы на Земле своим существованием обязаны растениям, водорослям и фотосинтезирующим бактериям. 
Помимо восполнения естественной убыли кислорода из атмосферы (в результате дыхания, горения, производственной деятельности человека и т.д.), производимые 200 млрд. тонн биомассы в год служат тем фундаментом, на котором прямо или косвенно строится жизнедеятельность всего живого на планете, будь то садовые муравьи, горбатые киты, человек или летучие мыши.

Антенны и передатчики
В настоящее время ученые хорошо представляют, каким образом в процессе фотосинтеза растения преобразуют и запасают солнечную энергию. Как правило, все начинается с двух молекул хлорофилла – зеленого пигмента (красителя), придающего листьям характерную окраску. 
Входящие в состав так называемых фотосистем I и II, они служат своего рода антеннами, чья цель – уловить энергию излучаемых Солнцем фотонов (световых частиц).
Подобный «захват» происходит, когда фотоны, взаимодействуя с молекулами хлорофилла, «вышибают» из них по паре электронов (отрицательно заряженных частиц).
Получив в результате столкновения избыточную энергию, электроны должны от нее избавиться, для чего им приходится путешествовать по цепи белков-переносчиков к месту совершения требуемых биохимических реакций.
Таковых оказывается на самом деле всего две.
Во-первых, энергия Солнца должна быть запасена, для чего растению необходимо синтезировать молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Позже эта сохраненная про запас в АТФ солнечная энергия будет использована для превращения углекислого газа в углеводы (сахара).
А во-вторых, подвергшимся воздействию солнечного света молекулам хлорофилла следует каким-то образом вернуться в первоначальное состояние. Здесь на помощь приходит вода, расщепление которой приводит, в конечном итоге, к восстановлению работоспособности молекул хлорофилла и выделению кислорода как побочного продукта. Все, круг замкнулся, и система готова принять новые кванты (порции) света.

Искусственные листья
Научившись использовать доступные в избытке солнечный свет и углекислый газ, растения элегантно решили задачу обеспечения себя энергией для роста и развития. В свою очередь, ученые уже довольно давно пытаются осуществить нечто подобное в лабораторных условиях. Как правило, речь идет не о слепом копировании процесса фотосинтеза, то есть получения углеводов из углекислого газа по примеру растений. 
В настоящий момент гораздо более интересным представляется создание систем, способных к фотолитическому (под действием света) разложению воды на водород и кислород. В случае успеха человечество ждет доступ к неограниченным запасам дешевого, экологически чистого водородного топлива. 
Определенные достижения в этой области продемонстрировали недавно исследователи из Массачусетского технологического института (США), создавшие «искусственный лист» на основе оксида кобальта. 
Помещенное в емкость с водой и освещенное светом, данное устройство начинает немедленно генерировать пузырьки кислорода с одной и водорода с другой стороны поверхности. 
Снабдив систему мембраной, разделяющей газы, становится возможным накапливать энергию Солнца, но не за счет синтеза углеводов как растения, а вследствие последующего сжигания кислорода и водорода. 
Автор изобретения, профессор Даниэль Носера, организовав компанию «Сан Каталикс» и собрав $10 млн. частных средств, уже приступил к разработке и созданию коммерческого образца.

Еще один шаг
Разработанный природой процесс фотосинтеза, будучи элегантным как по дизайну, так и исполнению, тем не менее не является таким уж эффективным. В среднем лишь 1% солнечной энергии, падающей на листья растений, используется для создания органической материи. 
Современные кремниевые солнечные батареи, напомним, обладают коэффициентом полезного действия (КПД) 10-15%, и лишь относительно высокая цена и зависимость от погодных условий сдерживают их широкое распространение. 
Этих недостатков практически лишены так называемые цветочувствительные тонкопленочные солнечные батареи (ячейки Гретцеля), в основе работы которых, аналогично фотосинтезу у растений, лежат окислительно-восстановительные химические реакции.
Изобретенные в 1991 году швейцарцем Михаэлем Гретцелем, эти гибкие фотоэлектрические устройства изготавливаются из дешевых материалов, могут быть любых форм и размеров, и самое главное, в отличие от классических кремниевых солнечных батарей, способны работать в условиях рассеянного освещения (внутри помещений). 
Данное обстоятельство использовала, например, компания «Логитех», выпустившая недавно на рынок беспроводную компьютерную клавиатуру, аккумуляторы которой заряжаются от встроенной цветочувствительной солнечной батареи.

Зеленые человечки
В биологии известно немало примеров симбиотических (взаимовыгодных) отношений между простейшими водорослями/цианобактериями и многоклеточными организмами (кораллы, лишайники, морские анемоны и др.). 
Так, некоторые виды морских слизней способны накапливать в своих клетках хлоропласты водорослей, которыми они питаются, что придает им, в итоге, ярко-зеленую окраску. 
Сохраняя хлоропласты в неприкосновенности, слизни могут затем в течение нескольких месяцев жить лишь за счет глюкозы, полученной в результате фотосинтеза. Некоторые ученые полагают: возможно, однажды и люди смогут похожим образом «питаться» солнечным светом.

Александр ЛЕОНТЬЕВ