фотосинтез

В тёмной комнате можно держать светящуюся сферу, не касаясь её: стены из лучей отталкивают, но не обжигают. Примерно так устроена ловушка, которую собрали в Рио-де-Жанейро для дрожжевых клеток. Обычный оптический пинцет, то есть сфокусированный лазерный луч, работает как щипцы из света, но сам свет при этом прошивает клетку насквозь.

Если выключить плиту, вода перестаёт кипеть почти мгновенно. В мире катализа ожидали похожей картины: остановили реакцию — и все промежуточные частицы тут же исчезли. Но свежие наблюдения за платиновой крошкой показали совсем другое.

Солнечный свет — как непрерывный поток мячей, летящих в стену. Белки-антенны в фотосинтезирующих бактериях ловят эти «мячи» — фотоны, но иногда удар слишком силён, и в «стене» — молекуле хлорофилла — возникает опасное возбуждённое состояние, триплетное…

В тёмных межзвёздных облаках, где рождаются новые звёзды, химия начинается с крошечной частицы — иона триводорода (H₃⁺). Этот ион, состоящий из трёх протонов и двух электронов, сталкивается с другими атомами и запускает каскад реакций, которые строят всё более сложные молекулы.

В чёрных глубинах космоса, на поверхности крошечных ледяных пылинок, идёт своя тихая стройка. Там, где температура падает почти до абсолютного нуля, а вокруг — жёсткое излучение, обычная аминокислота глицин (простейший белковый кирпичик) соединяется сама с собой.

Камертон, по которому ударили, звучит чисто и долго. Но если во время звучания слегка трясти саму вилку — звук начнёт дрожать и быстро затихнет. Примерно то же самое происходит с электронами в любом куске вещества. Атомы в решётке никогда не стоят на месте: тепловые колебания заставляют их непрерывно подрагивать.

Солнечный луч падает на лист — и внутри запускается эстафета. Энергия переходит от одной молекулы к другой, пока не достигнет цели. В фотосистеме II (это белковый комплекс, запускающий фотосинтез) эту эстафету бегут молекулы-пигменты: хлорофиллы и феофитины.

Представьте переполненный вагон метро в час пик. Пассажиры не просто стоят — они дышат, выделяют влагу, протискиваются к выходам и порой застревают в дверях, блокируя движение. А теперь вообразите, что эти пассажиры способны перекраивать стены вагона, добавлять поручни или превращать пол в гель.

На прибрежном мелководье, где вода то отступает, то возвращается, жизнь подчинена ритму солнца. Коричневатая плёнка на поверхности ила — это не просто грязь, а плотное сообщество крошечных диатомовых водорослей. Днём они получают много света для фотосинтеза, но стоит солнцу разгуляться, как внутри клеток начинается настоящая химическая буря.

Представьте художника, чей холст — целая планета, а палитра — молекулы, пьющие звёздный свет. Его кисть — миллиарды лет эволюции, а картина — спектральный портрет, заметный даже из другой звёздной системы. Этот художник — фотосинтез, и именно его работы астробиологи надеются отыскать на далёких экзопланетах.

Каждый год еда, которую мы едим, отнимает у человечества десятки миллионов лет жизни — из-за нездоровых рационов. И одновременно треть всех парниковых газов, греющих планету, рождается на пути от поля до тарелки. Казалось бы, решение напрашивается само: перейти на более здоровое питание — и климат спасём, и здоровье поправим.

Миллиарды крошечных моторчиков гудят внутри каждого живого существа. Клетки без остановки перекачивают вещества, сжигают сахар, строят новые белки — и всё это невидимое движение греет нас изнутри. Чтобы поддерживать порядок, жизнь обязана рассеивать тепло в окружающую среду, как печка, которая никогда не гаснет. Мощность этого внутреннего обогрева почти не зависит от размеров.

Обычный источник фотонов можно представить как вход в клуб с одним вышибалой. Он старается пропускать посетителей поодиночке, но иногда «парочки» просачиваются. В квантовой оптике это называют проблемой чистоты: фотоны должны излучаться строго по одному, иначе в квантовых вычислениях возникают ошибки.

Дрожжи заперты в прозрачном геле, как изюм в холодце. Сами они не двигаются, но скоро начинают подниматься вверх. Секрет — в их собственной «газировке». При брожении дрожжи выделяют углекислый газ. В густой среде газ не улетучивается, а накапливается, пока не образуются пузырьки.

Грязная вода с антибиотиками — не просто отходы, а скрытый источник энергии. Химики собрали материал из двух частей: наностержней оксида титана (белый пигмент в красках и солнцезащитных кремах) и нанолистов нитрида углерода.

Обычные солнечные батареи превращают свет в электричество, а здесь свет расщепляет воду на водород и кислород. Водород — чистое топливо, но процесс идёт медленно. Чтобы его ускорить, добавляют вещества-помощники, которые отдают электроны. Часто это спирт, но его жалко тратить.

В тонкой плёнке воды, зажатой между двумя стёклами, живут бактерии. Кислород к ним поступает только через одну стенку, как воздух в комнату через единственное окно. Когда бактерий мало, они не обращают на это внимания: часть прилипает к одной стенке, часть к другой, и картина получается симметричной. Но стоит им размножиться, как всё меняется.

Крошечная зелёная водоросль хламидомонада всю жизнь гребёт двумя жгутиками к свету, как пловец к берегу. Свет она чувствует белком-фоторецептором, а позади него лежит красное пятнышко — «глазок», который отбрасывает тень и помогает понять, откуда свет идёт. Но у мутантов без этого пятнышка поведение переворачивается: они уплывают от света, хотя белок на месте.

Для оксигенного фотосинтеза — процесса, при котором выделяется кислород, — необходимо расщеплять воду. Это можно представить как водяное колесо: чтобы оно вращалось, нужен сильный поток. Свет выполняет роль потока, а фотоны — частицы света — его струи.

Когда солнечный луч падает на лист, внутри него начинается эстафета. Энергия света переходит от одной молекулы хлорофилла к другой, пока не доберётся до реакционного центра — места, где запускается химия жизни. Эта эстафета идёт с удивительной точностью: почти каждый квант света находит свой путь. Учёные решили выяснить, как молекулам удаётся так слаженно передавать энергию.

Свет от обычной лампочки — это поток одиночных фотонов, как капли из крана. Но бывает свет, где фотоны идут парами, словно шагающие вместе близнецы. Такой сгруппированный свет давно хотели использовать для измерения расстояний и съёмки объектов, скрытых за углом. Но источники этого света были либо слишком тусклыми, либо их вспышки слишком короткими, чтобы обычные детекторы успевали их заметить.

Кометный лёд врезается в молодую Землю. Давление в точке удара — как если бы на ноготь большого пальца поставили шесть авианосцев. В лаборатории такие условия воспроизводят, зажимая крошечный образец между двумя вращающимися наковальнями. В этот раз под наковальни положили аденозинмонофосфат — одну из букв будущей РНК. Добавили немного воды, чтобы имитировать влажную среду, и сжали.

В химии есть два мира: в одном катализатор — твёрдая частица, на которой реакция идёт на поверхности; в другом — растворённая молекула, где всё происходит вокруг одного металлического центра. Эти миры редко встречаются. Но в новой работе они сошлись.

В воздухе, которым мы дышим, постоянно происходят невидимые глазу химические события. Одно из них — рождение и мгновенная гибель частицы с формулой H₂COO. Её называют «промежуточным соединением»: она появляется на долю секунды, когда молекулы озона сталкиваются с органическими веществами, и тут же разваливается на более простые осколки.

В стакане воды растворяют несколько солей и формальдегид. Через некоторое время жидкость сама расслаивается: в ней появляются капли с оболочкой, похожие на крошечные пузырьки. Внутри каждой капли идут химические превращения, а сама капля растёт, вбирая вещество из окружающего раствора. Эти капли — не просто пузырьки. Внутри них образуются новые, меньшие капли, которые тоже способны расти.

В каждом листе, на свету, работает фабрика, которая разбирает воду на кислород и водород. Кислород уходит в воздух, которым мы дышим, а водород растение использует для еды. Сердце этой фабрики — белковый комплекс с четырьмя атомами марганца и одним атомом кальция. Именно там вода теряет электроны и превращается в кислород.

У экзопланеты TRAPPIST-1 кислородный фотосинтез — процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую с выделением кислорода, — проигрывает гонку за выживание. Эта звезда-карлик спектрального класса M излучает преимущественно в инфракрасном диапазоне, а не в видимом, как Солнце.

Жизнь на Земле стартовала с молекул, напоминающих природный солнцезащитный крем, — на основе углерода они поглощали мягкий ультрафиолет молодого Солнца и превращали его в тепло.

Живые клетки непрерывно обмениваются световыми сигналами — биофотонами, интенсивность которых в миллиард раз слабее дневного света. Это похоже на шёпот, улавливаемый лишь сверхчувствительными приборами. Здоровая клетка «шепчет» ритмично, а раковая — сбивчиво, но с долгой памятью о прежних вспышках.