Журнал далеко идущего

На Земле доминирующие фотосинтетические организмы расщепляют воду и сахорозу, выделяя в качестве побочного эффекта кислород. Однако вода — это не единственный источник, а кислород — не единственный возможный результат. С точки зрения фотосинтетического организма весь смысл всей этой биохимической реакции заключается в преобразовании энергии света в химическую. Лучший способ сделать это — найти достаточно большие и легкодоступные водородные ресурсы для осуществления этого процесса. Так в процессе фотосинтеза для фиксации одного атома углерода ( полученного из углекислого газа, CO2 ) в молекуле сахара требуется не менее восьми фотонов, а для расщепления водород-кислородной связи в молекуле воды (H2O) — всего один. При этом появляется свободный электрон, необходимый для дальнейшей реакции. Всего же для образования одной молекулы кислорода (O2) нужно разорвать четыре таких связи. Для второй реакции образования молекулы сахара требуется еще как минимум четыре фотона. При этом нужно отметить, что фотон должен обладать некоторой минимальной энергией, чтобы принять участие в фотосинтезе. Результаты включают ионы водорода, энергичные электроны и субстрат ( который потом обычно отбрасывается ). Полученные высокоэнергетические электроны чрезвычайно полезны и могут быть использованы для проведения целого ряда биохимических реакций. Они обычно запускаются в виде каскадного эффекта; электроны питают одну реакцию, теряют немного энергии, переходят в другую реакцию, теряют еще немного, переходят в другую и так далее, пока не будет захвачено как можно больше доступной энергии. Ионы водорода тоже очень полезны. Ион водорода мал и очень подвижен, и естественно вписывается в "фон" ионов водорода, содержащихся в любом водном растворе, что справедливо не только для воды, но и для аммиака, соляной кислоты, сероводорода или большинство других растворителей, которые являются альтернативой воде. Общие химические реакции, участвующие в этом первом процессе, называются "световыми реакциями", потому что они управляются фотонами. Детали, конечно, сильно различаются в зависимости от используемого субстрата и от эволюционной истории рассматриваемой формы жизни. У земных растений и цианобактерий этот набор реакций осуществляется двумя системами, называемыми фотосистемами I и II типа. Если используется только одна из этих систем, то кислород не участвует вообще - только энергетические соединения (АТФ). Если оба присутствуют, то выделяется кислород и ионы водорода используются в других биохимических процессах организма. Некоторые другие земные организмы используют сероводород в качестве субстрата, этот процесс высвобождает элементарную серу, которая либо выбрасывается, либо удерживается в виде зерен внутри клеток организма. Другие организмы, имеющие другое происхождение, имеют аналогичные биохимические пути к этому. Все они выделяют окисляющее химическое вещество в виде отходов; все, что осталось от исходного соединения после того, как его атомы водорода были удалены. Выделение кислорода или какого-то другого побочного продукта-это побочный эффект, причем довольно неудобный. Если это сильный окислитель, как кислород или хлор, то он испускается в окружающую среду. Если он слабее, как сера или некоторые сложные органические соединения, он может быть накоплен внутри самого организма для дальнейшего использования. После того, как ионы водорода были освобождены, они могут быть использованы для получения других соединений, используя всю или часть энергии от первой реакции. Чаще всего водород используется для фиксации углерода для производства углеводов и различных других сложных химических веществ. Углерод является предпочтительным получателем из-за разнообразия соединений, которые могут быть получены. Эти соединения могут быть использованы в дальнейшем либо как топливо для дыхания или как структурный компонент в клетках. На скалистых планетах источником углерода обычно является двуокись углерода, которая стабильна при таких температурах и становится наиболее распространенным углеродсодержащим соединением в атмосфере и гидросфере в широком диапазоне возможных условий ( как это можно увидеть на Венере, Земле и Марсе ). Наиболее распространенным побочным продуктом фотосинтеза, по крайней мере при земных температурах и в скалистом землеподобном мире, является кислород. Это происходит потому, что наиболее распространенным водородным ресурсом является вода. Вода вездесуща, поскольку она состоит из первого и третьего наиболее распространенных элементов во Вселенной. Во внешней части солнечной системы она часто встречается в виде льдов или клатратов. Во внутренних частях системы она будет перевешена скалистыми материалами, но обычно она будет более распространена, чем любой другой возможный водородный ресурс на один, два или несколько порядков просто потому, что кислород так распространен. Таким образом, при температурах, допускающих жидкую воду, кислородосодержащая атмосфера, вероятно, будет конечным результатом, если возникнет жизнь. Сероводород является еще одним возможным ресурсом - на самом деле существуют целые группы организмов, которые используют его, - но сера попросту гораздо менее распространена из-за чего таких организмов не так уж и много. Кроме того, как только какой-то организм развивает способность использовать воду для получения водорода, атмосфера начинает наполняться кислородом. Сероводород не сможет стабильно существовать в насыщенной кислородом атмосфере, и поэтому фотосинтезаторы сероводорода будут низведены в анаэробные ниши, как только биосфера достигнет равновесия. На очень больших планетах внутренней системы, сохранивших значительный объем водорода, этим ресурсом может быть сам водородный газ. То, что происходит при фотосинтезе на водной основе, зависит от доли водорода в атмосфере. Если относительное количество водорода невелико, то конечный результат будет таким же, как на Земле, с атмосферой, содержащей значительное количество кислорода и фотосинтеза водорода, низведенный до нескольких анаэробных ниш. Если же количество водорода будет больше, то атмосфера никогда не достигнет земного состава, так как любой кислород, выделяющийся вскоре, будет соединяться с восстановительной водородной атмосферой планеты, что будет препятствовать появлению сложной многоклеточной жизни. Ниже приведены некоторые типичные конечные результаты процессов фотосинтеза, с учётом различных субстратов: H2O + CO2 → CH2O + O2 H2C + CO2 → CH2O + C2 H2 + CO2 → CH2O 2HCl + KO2 → CH2O → Cl2 Общая схема заключается в том, что водород отделяется от донора, чтобы произвести какой-то углевод. На Земле это обычно сахар, из которого другие соединения развиваются другими процессами. Первый из них, высвобождающий кислород, является одним из наиболее распространенных во Вселенной по причинам, которые уже были приведены выше. Второй элемент также обычно обнаруживается как второстепенный, когда на планете начинается фотосинтез, производящий кислород, как и третий, если только планета не велика и не появилась со значительной долей водорода в атмосфере. Четвертая чрезвычайно редка, потому что хлористый водород редко встречается в достаточном количестве, хотя в некоторых местах он может быть параллельным процессу фотосинтеза, развивающегося из кислорода. Растения других цветов ( альтернативные фотосинтетические пигменты ) Чтобы поглощать свет, фотосинтезирующие организмы используют пигменты, которые отражают свет определенной длины волны и, следовательно, окрашивают ( видимый цвет организма ), а остальное поглощают, что выражается в виде следующей химической реакции: CO2 + H2O + hv → CH2O + 2 [O] (1), где [O] представляет собой окисленный побочный продукт, а hv представляет энергию фотонов частоты v. Кислородный фотосинтез производит молекулярный кислород в качестве побочного продукта, поэтому реакция становится: CO2 + H2O + hv→CH2O + O2 (2) Так привычный для нас хлорофилл в основном поглощает красный и синий свет, а каротиноидные пигменты, придающие осенней листве красный и желтый цвет, воспринимают немного другой оттенок синего. Вся собранная этими пигментами энергия доставляется к молекуле хлорофилла, находящейся в реакционном центре, где и происходит расщепление воды с образованием кислорода. Комплекс молекул в реакционном центре может осуществлять химические реакции, только если он получает красные фотоны или эквивалентное количество энергии в какой-то другой форме. Чтобы использовать синие фотоны, пигменты «антенны» превращают их высокую энергию в более низкую, подобно тому как ряд понижающих трансформаторов уменьшает 100 тысяч вольт, передающихся внутри линии электропередач до 220 вольт стенной розетки. Процесс начинается, когда синий фотон попадает на пигмент, поглощающий синий свет, и передает энергию одному их электронов его молекулы. Когда электрон возвращается в исходное состояние, он испускает эту энергию, но из-за тепловых и колебательных потерь меньше, чем поглотил. Однако молекула пигмента отдаёт полученную энергию не в форме фотона, а в форме электрического взаимодействия с другой молекулой пигмента, которая способна поглотить энергию более низкого уровня. В свою очередь второй пигмент выделяет ещё меньшее количество энергии, и этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия исходного синего фотона не понизится до уровня красного. Реакционный центр как приемный конец каскада приспособлен к тому, чтобы поглощать доступные фотоны с минимальной энергией. Так на поверхности нашей планеты самыми многочисленными и при этом обладающими самой низкой энергией среди фотонов видимого спектра являются красные фотоны. Однако для находящихся под водой фотосинтезирующих растений красные фотоны не обязательно должны будут являться самыми многочисленными, так используемая для фотосинтеза область света меняется с глубиной, так как вода, растворенные в ней вещества и находящиеся в верхних слоях организмы фильтруют свет за счёт чего получается чёткое расслоение живых форм в соответствии с их набором пигментов, так организмы из более глубоких слоёв имеют пигменты, настроенные на свет тех цветов, которые не были поглощены слоями, лежащими выше. Например, земные водоросли и цианеи часто используют пигменты фикоцианин и фикоэритрин, поглощающие зеленые и желтые фотоны. У аноксигенных ( не производящих кислород ) бактерий есть бактериохлорофилл, поглощающий свет дальней красной и ближней инфракрасной (ИК) областей, способный проникать в мрачные водные глубины. Организмы, приспособившиеся к слабой освещенности, обычно растут медленнее, поскольку им приходится прикладывать больше усилий для поглощения всего доступного им света, однако на поверхности планеты, где свет должен был бы быть в достаточном изобилии, растениям было бы попросту невыгодно производить лишние пигменты, поэтому они использовали бы свет определенной длины избирательным образом. Так вблизи звёзд класса F поверхности планет должны были бы достигать преимущественно голубые лучи с пиком на 451 нм. Около звёзд класса К пик находится на 667 нм, являющейся красной областью спектра, что в некоторой степени сравнимо с земными условиями, при этом важную роль играет озон, делая свет звёзд класса F более голубым, а свет звёзд класса К более красным, чем он есть на самом деле, за счёт чего получается, что пригодное для фотосинтеза излучение в данном случае лежит в видимой области спектра, как и на Земле. Таким образом, растения на планетах вблизи звёзд класса F и K могут иметь почти тот же цвет, что и земные, но у звёзд класса F поток богатых энергией голубых фотонов слишком интенсивен, поэтому растения должны хотя бы частично их отражать, используя экранирующие пигменты наподобие антоцианина, что придаст растениям голубоватую окраску. Впрочем, они могут использовать для фотосинтеза только голубые фотоны, из-за чего в этом случае должен будет отражаться весь свет в диапазоне от зеленого до красного из-за чего, к слову, покрытые бурной растительностью планеты вокруг ранних и средних звезд F-типа будут казаться из космоса яркими с альбедо больше 0,7. Вокруг поздних звезд типа K и M растения должны были бы поглощать почти все длины волн видимого света, в результате чего растения становились бы серыми или черными, а покрытые такой растительностью планеты казались бы из космоса тёмными с альбедо менее 0,1. Вокруг звезд солнечного типа ( от поздних F до средних звезд G-типа ) растения будут зелеными, как на Земле, но на планетах, вращающихся вокруг поздних G до ранних звезд K-типа, растительность будет иметь коричневый окрас. Другими факторами, влияющими на цвет растений на планетах, являются их атмосферный состав, орбита, вращение и эволюция. На Земле растения поглощают в основном видимый свет благодаря разнообразию пигментов. Наиболее важными являются порфирины, простые кольцеобразные молекулы, чрезвычайно стабильные, с одним атомом металла в центре. Все зелёные растения используют хлорофилл, зелёный порфирин с атомом магния, в двух формах: хлорофилл а лучше поглощает фиолетовый и оранжевый свет, в то время как хлорофилл в поглощает в основном синий и желтый свет. Некоторые бактерии используют порфирины на основе цинка и меди, и существует возможность получения порфиринов с атомами никеля, кобальта или марганца. Другим, но все еще распространенным видом фотосинтетических пигментов являются каротиноиды, которые, в свою очередь, включают каротин ( углеводород ) и ксантофилл ( состоящий из углерода, водорода и кислорода ). Они оба поглощают более энергичную сине-фиолетовую часть светового спектра, поэтому каротин кажется оранжевым, а ксантофилл-желтым; они присутствуют во многих овощах, а ксантофилл-это химическое вещество, которое делает желток яйца желтым. Феофитин получен из хлорофилла, который потерял свой атом магния при обработке кислотой; он выглядит темно-синим и присутствует во многих водорослях и бактериях; большинство бактерий и некоторые водоросли также используют фикобилипротеины, которые включают синий фикоцианин и оранжево-красный фикоэритрин. Галобактерии используют другой белок, бактериородопсин, для поглощения зеленого света ( он выглядит фиолетовым ) непосредственно для перемещения протонов с помощью солнечной энергии, без участия в истинном фотосинтезе. Как более простая альтернатива, некоторые оксиды металлов, такие как оксид цинка ( белый ), оксид титана ( белый ) и оксида вольфрама ( светло-желтый ), по-видимому способны захватывать и накапливать энергию, когда подвергается воздействию света и принять участие в окислительно-восстановительных аналогично хлорофилла; кремний и германий, а, может преобразовывать свет в электрическую энергию, как это делают в фотоэлектрических элементов, расщепления молекул воды с помощью электролиза. Так существует набор графиков, которые показывают наиболее распространенные длины волн, создаваемые разными звездами в разных средах. Какими бы ни были эти длины волн, растения, скорее всего, не будут такого цвета, потому что именно эту длину волны они захотят поглощать, а не отражать. Пик света в каждой ситуации суммируется в таблице ниже; длины волн измеряются в нанометрах. Феомеланин: 330 нм ( ультрафиолет ) - цвет: красновато-коричневый Эумеланин: 340 нм ( ультрафиолет ) - цвет: черный или темно-коричневый Хлорофилл а: 430 нм ( синий ); 680 нм ( красный ) - цвет: зеленый Хлорофилл в: 450 нм ( синий ); 660 нм ( красный ) - цвет: зелено-желтый. Каротиноиды: 480-520 нм ( от светло-голубого до зеленого ) - цвет: оранжевый или желтый. Фикоэритрин: 500-580 нм ( от зеленого до оранжевого ) - цвет: оранжево-красный Бактериорхопсин: 570 нм ( зеленый ) - цвет: фиолетовый Фикоцианин: 620 нм ( красный ) - цвет: синий Ксантофилл: - цвет: желтый Примечание: согласно таблице выше предполагается что данные растения должны будут находиться в пределах атмосферы с относительно землеподобной уровнем атмосферного давления.