2.4. Хлорофилл

Без преувеличения можно сказать, что мы всем обязаны когда-то давно появившейся способности зелёных растений синтезировать органику, используя солнечный свет. Этот процесс обеспечивает наше существование как непосредственно, так и косвенно – питая всё то живое, что позволяет нам существовать.

Подножие каждой пищевой пирамиды, существующей в самых различных климатических условиях, – тундра и саванна, коралловый риф и дно океана, держат на своих плечах скромные труженики биосферы – фотосинтетические организмы-продуценты, которым помогает производить первичную биомассу такая замечательная молекула, как хлорофилл.

Несмотря на то, что мы знаем про процесс фотосинтеза практически всё, что про него можно знать, он все равно кажется волшебством – превращение энергии фотонов в энергию химическую, превращение солнечного света в пищу. Древние, поклонявшиеся Солнцу, как богу, дающему жизнь всему на Земле, должны были бы внести в свой пантеон и ещё одного маленького (не по значению, а по размерам) бога-хлорофилла – все могущество Солнца без этой молекулы было бы потрачено впустую, и только благодаря хлорофиллу всё существующее многообразие форм жизни появилось практически из ничего – воздуха, воды и света.

Фотосинтез – уникальный физико-хими- ческий процесс, осуществляемый на Земле всеми зелёными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза – последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций с образованием углеводов и выделением кислорода (строго говоря – для самих-то растений выделение кислорода представляет собой процесс побочный или факультативный – главное, ради чего растение занимается фотосинтезом – синтез углеводов, которые затем участвуют в других обменных процессах).

Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Гетеротрофные организмы – животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли – обязаны своим существованием автотрофным организмам – растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере.

Разработанное природой средство, позволяющее конвертировать световую энергию в химическую, представляет собой порфириновый цикл с длинными боковыми цепями. В центре порфиринового цикла, гемовой структурной единицы, практически не отличающейся от уже упоминавшегося замечательного вещества с гемом – гемоглобина, находится ион магния. Строение порфирина, а точнее – чередование одинарных и двойных связей, обеспечивает поглощение электромагнитного излучения с определенной длиной волны, из-за чего как сами порфирины, так и их комплексы с металлами зачастую имеют характерную окраску.

Боковые цепи хлорофилла производят «тонкую настройку» длины поглощающейся волны света. Существует несколько типов хлорофилла, различающихся именно строением боковых цепей, причём у высших растений, как правило, в листе одновременно два типа хлорофилла (a и b) – присутствие сразу двух видов молекул хлорофилла способствует тому, что растения более эффективно поглощают энергию Солнца.

Другие фотосинтезирующие водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют иной набор пигментов. Например, бурые и диатомовые водоросли, криптомонады и динофлагелляты содержат хлорофиллы a и c, красные водоросли – хлорофиллы а и d. Следует отметить, что реальность существования хлорофилла d в красных водорослях оспаривается некоторыми исследователями, которые полагают, что он является продуктом деградации хлорофилла а. В настоящее время достоверно установлено, что хлорофилл d – основной пигмент некоторых фотосинтезирующих прокариотов. Среди прокариотов цианобактерии (сине-зелёные водоросли) содержат только хлорофилл a, прохлорофитные бактерии – хлорофиллы a, b или c.

Другие бактерии содержат аналоги хлорофилла – бактериохлорофиллы, которые локализованы в хлоросомах и хроматофорах. Известны бактериохлорофиллы а, b, c, d, e и g. Основу молекулы всех хлорофиллов составляет магниевый комплекс порфиринового макроцикла, к которому присоединен высокомолекулярный спирт, обладающий гидрофобными свойствами, который придает хлорофиллам способность встраиваться в липидный слой фотосинтетических мембран.

Тем не менее главная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в биосфере принадлежит хлорофиллам а и b. Если хлорофилл а имеет обычную зелёную окраску, оттенок хлорофилла b в большей степени уходит в желтизну. Хлорофиллы поглощают синюю и красную компоненты солнечного света, а привычная нам зелень летней листвы (или зимней хвои) – это те цвета, которые остаются после поглощения листьями красноты и синевы.

Весной и летом хлорофилл дает листве свою зелёную окраску, но каждую осень лиственные деревья и кустарники меняют цвет своей листвы, на несколько недель принося в скучную серую осень буйство всей палитры жёлтых и красных красок. До настоящего времени считалось, что цвета золотой осени обуславливаются наличием в листьях каротиноидов и флавоноидов. Основным объяснением появления жёлто-красной окраски листьев было следующее: флавоноиды и каротиноиды содержатся и в зелёных листьях, однако их окраска замаскирована зелёной окраской хлорофилла, который разрушается осенью, прекращая маскировать жёлтый и красный цвета. Однако это лишь часть химических процессов, протекающих в листьях осенью.

Летом зелёные листья обеспечивают протекание процесса фотосинтеза, хлорофилл способствует преобразованию солнечного света в химическую энергию. Ранней осенью происходит реадсорбция наиболее важных для лиственных деревьев питательных элементов – азотсодержащих и неорганических соединений из листьев в ветви и ствол, что происходит к разрыву связи между хлорофиллом и белками, обычно способствующими его работе. Однако в свободной, не связанной с белками форме хлорофилл фототоксичен, и воздействие солнечного света на свободный хлорофилл может существенно повредить дереву. Чтобы это не произошло, дерево подвергается «детоксикации», связанной с разрушением хлорофилла.

Процесс распада хлорофилла долгое время оставался загадкой для исследователей. Около двух десятков лет назад из листвы были выделены продукты разложения хлорофилла, которые оказались бесцветными, что лишний раз добавило исследователям уверенности в том, что хлорофилл, разлагаясь, только делает видимыми другие окрашенные соединения. Тем не менее недавно было выяснено, что обнаруженные ранее продукты распада хлорофилла, считавшиеся окончательными, могут окисляться с образованием интенсивно-жёлтых соединений. Строение жёлтых продуктов распада хлорофилла похоже на структуру билирубина, природного соединения, предохраняющего клетки от повреждения.

С разложением хлорофилла связан и следующий интересный факт – зреющие бананы при облучении ультрафиолетом флуоресцируют с испусканием интенсивно синего цвета. Это синее свечение связано с разрушением хлорофилла, протекающим при созревании бананов. В результате такого расщепления бесцветные, но флуоресцирующие продукты распада хлорофилла концентрируются в банановой кожуре.

Привычный вид бананов обусловлен наличием каротиноидов, которые обуславливают жёлтую окраску банановой кожуры при нормальном освещении. При облучении ультрафиолетом созревающие бананы выглядят интенсивно синими, причем окраска не зависит от того, каким образом происходит созревание – естественным или подстегивается с помощью газообразного этилена. Зелёные незрелые бананы не флуоресцируют. Интенсивность флуоресценции определяется степенью распада хлорофилла и увеличивается по мере созревания.

В растениях хлорофиллы локализованы в мембранах клеточных органоидов – хлоропластов, именно там молекулы хлорофилла могут улавливать энергию входящих фотонов, в результате воздействия фотонов хлорофиллы переходят в возбужденное состояние. Расположение молекул хлорофилла в хлоропластах способствует тому, что энергия может передаваться между соседними молекулами, фокусируясь и умножаясь таким образом, что в итоге от молекулы хлорофилла отрывается электрон, который затем участвует в целой цепочке других химических превращений.

Реакции с участием оторвавшегося электрона создают достаточную энергию для синтеза углеводов из углекислого газа. При этом молекула хлорофилла, потерявшая электрон, регенерирует свое состояние за счёт отрыва электрона от воды, в процессе окисления воды в качестве побочного продукта фотосинтеза образуется кислород, и никогда ещё побочный продукт не был таким полезным.

Общий процесс фотосинтеза появился в результате эволюции миллиарды лет назад в зелёных бактериях, а затем закрепился как свойство клеток многоклеточных растений. По сути дела, каждый хлоропласт представляет собой реликтовый остаток древней бактерии, «взятой в заложники» современным растением из-за своей удачной способности.

Вопрос о дате «начала» фотосинтеза является одним из главных среди тех, которые обсуждаются в связи с происхождением жизни на Земле. Считается, что до появления фотосинтеза атмосфера обладала «восстановительными» свойствами – состояла из метана, аммиака и сероводорода. Фотосинтез вызвал первую «экологическую катастрофу», приведшую к исчезновению практически всех не кислорододышащих форм жизни.

Наиболее старое ископаемое свидетельство существования фотосинтетических бактерий позволяло предположить, что они появились в экологической системе Земли около 2,7 миллиардов лет назад. Тем не менее недавно полученные при изучении скальных пород свидетельства позволяют предположить, что бактерии, способные к фотосинтезу, уже существовали на Земле 3,46 миллиарда лет назад.

В настоящее время исследователи пытаются приручить процесс фотосинтеза и использовать его идею для применения солнечной энергии в солнечных батареях, системах фотокаталитического получения водорода из воды, а также в других системах, позволяющих проводить конверсию солнечной энергии в энергию химическую. Сравнительно недавно было обнаружено, что наносистемы из оксида титана (см. рассказ про диоксид титана выше) под воздействием солнечного света могут расщеплять воду на водород и кислород.

В пищевой промышленности хлорофилл используется в качестве красителя (добавка Е-141), именно хлорофилл придает зелёную окраску абсенту, о котором уже шла речь выше.

Итак, хлорофилл представляет собой не только замечательное вещество, которое дало нам всем жизнь, но и неиссякаемый источник вдохновения как для химиков и инженеров, так и для поэтов, писателей и художников.