Гл. 7. Фотосинтез

одними и теми же длинами волн. Что это, простое совпаде­ние?

Один из выдающихся специалистов, изучающих про­цессы взаимосвязи света и живых организмов, — Джордж Уолд из Гарвардского университета отвечает на эти вопросы отрицательно. Он полагает, что жизнь, где бы она ни суще­ствовала, должна зависеть от одного и того же участка широ­кого спектар радиации. В основе его предположения лежат две гипотезы. Во-первых, живое состоит из громадных слож­ных молекул, которые имеют сложные взаимосвязи и специ­фические конфигурации, поддерживаемые в основном водо­родными или другими, еще более слабыми связями. Радиация с более мощной, чем у синего света, энергией может разор­вать их, нарушив структуру и функцию этих молекул. При длине волны менее 200 нм она выбивает электроны из ато­мов, образуя ионы, поэтому называется ионизирующей. Эне­ргия излучения с длиной волны больше, чем у видимого све­та, сильно поглощается водой, образующей большую часть массы живых организмов. Если свет с такой длиной волны и достигнет органических молекул, то сможет лишь увеличить их подвижность, но не изменит их структуру. Только излуче­ние видимой части спектра способно возбуждать молекулы, т. е. другой, вызывая за счет этого изменения биологических систем.

Вторая идея заключается в том, что видимый свет в отличие от других участков спектра электромагнитной радиации был «выбран» организмами как наиболее доступ­ный. Основная часть солнечного излучения, достигающая нашей планеты, лежит в пределах этой области. Имеющие более высокую энергию (т. е. более короткие) волны экрани­руются кислородом и озоном в высоких слоях атмосферы, а значительная часть инфракрасной радиации поглощается водяными парами и углекислотой, не успевая достичь земной поверхности.

Это можно назвать «приспособленностью окружающей среды»; пригодность условий для жизни и соответствие живых систем физическим параметрам среды — явления взаимосвязанные. Если бы такая взаимосвязь отсутствовала, жизнь была бы невозможной.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ЦИКЛ УГЛЕРОДА

В процессе фотосинтеза живые системы поглощают углеки­слоту из атмосферы и включают ее в органические, углерод-

содержащие соединения. В процессе дыхания эти соединения распадаются вновь до С0₂ и Н₂0. Эти процессы в глобаль­ном масштабе и образуют цикл углерода. Главными фото-синтезирующими компонентами в этом цикле являются рас­тения и фитопланктон, морские водоросли и цианобактерии. Они синтезируют углеводы из углекислоты и воды и выде­ляют кислород в атмосферу. При фотосинтезе около 75 млрд. т углерода связывается в углеродсодержащие соеди­нения за год.

Часть углеводов используется самими фотосинтезиру-ющими организмами. Растения выделяют С0₂ из корней и листьев, а морские водоросли и цианобактерии выделяют С0₂ в воду, где поддерживается равновесие с углекислотой воздуха. Около 500 млрд. т углерода запасено в виде раство­ренной углекислоты в морях и 700 млрд. т — в атмосфере. Часть углеводов используется животными, которые пита­ются растениями, водорослями и другими организмами и выделяют при этом углекислоту. Громадное количество углерода содержится в отмерших остатках растений и других организмов. Кроме того, опавшие листья, раковины, фека­лии и другие отбросы, которые накапливаются в почве или падают на дно океана, разлагаются редуцентами — неболь­шими беспозвоночными, бактериями и грибами. В резуль­тате этих процессов С0₂ выделяется в воздух и воду. Далее, большой запас углерода лежит ниже поверхности почвы, в глубоких слоях земли в виде каменного угля и нефти, кото­рые образовались много миллионов лет назад.

Естественные процессы фотосинтеза и дыхания сбаланси­рованы между собой. В течение многих миллионов лет содержание углекислоты в атмосфере, насколько мы можем судить, оставалось постоянным. По объему это очень малая часть атмосферы — около 0,03%. Это очень важно, поскольку углекислота, как и другие компоненты атмосфе­ры, поглощает тепло солнечных лучей.

Начиная с 1850 г. концентрация углекислоты в атмосфере начала расти, частично за счет использования ископаемого топлива, увеличения пахотных угодий, истребления лесов, особенно в тропиках. Некоторые экологи предсказывают, что увеличение углекислотного «покрова» увеличит темпе­ратуру на Земле и соответственно приведет к расширению площадей, занятых пустынями. Другие, настроенные более оптимистично, предвидят повышение фотосинтетической активности растений и водорослей, связанное с увеличением количества углекислоты. Большинство, однако, испытывает тревогу в связи с тем фактом, что хотя последствия нашей деятельности трудно предсказуемы, мы активно ее продол­жаем.

110 Разд. II. Энергия ■ живые клетка

Цикл углерода. Стрелками показано движение атомов С. Числа представ­ляют собой оценки количеств запасен-

ного углерода, выраженные, в миллиар­дах тонн. Количество углерода, выде­ляемое при дыхании и сжигании топли-

ва, как считается, начало превосходить его количество, фиксируемое фотосин­тетическим путем

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ УГЛЕРОДА У С₃- И С₄-РАСТЕНИЙ

В свободной атмосфере углекислота существует в форме ¹²С0₂, ¹³С0₂ и ¹⁴С0₂. В отличие от ¹⁴С формы ¹³С и ¹²С пред­ставляют собой стабильные изотопы. Растения ассимили­руют их в неодинаковой степени. Сейчас установлено, что С₃-растения в меньшей степени усваивают ¹³С, чем (^-расте­ния. Этот «отсев» ¹³С осуществляется в основном на уровне реакции карбоксилирования с участием рибулозобисфосфат-карбоксилазы. Этот фермент у С₃-растений сильнее «отсе­ивает» ¹³С, чем фосфоенолпируваткарбоксилаза С₄-расте-ний. В результате С₄-растения содержат больше ¹³С, чем С₃-растения.

Концентрация стабильных изотопов в растениях выра­жается величиной 6 ¹³С относительно содержаний ¹²С и ¹³С для стандартного соединения (эта величина измеряется на масс-спектрометре). Значение 6 ¹³С для С₃-растений равно около — 27°/₀₀ (по сравнению со стандартом), а у С₄-расте-ний — примерно — 11°/(Х). Показатель б ¹³С используется для определения принадлежности растения к С,- или С₄-типу.

Он важен и для экологов-физиологов. Поскольку в экоси­стеме растения служат пищей для растительноядных живот-

ных, анализ величины 6 ¹³С в содержимом их желудка и фекалиях позволяет определить, какие растения — С₃- или С₄ — предпочитают употреблять в пищу те или иные расти­тельноядные.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Alberts, Bruce, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, James D. Watson: Molecular Biology of the Cell, Garland Pub­lishing Inc., New York, 1983.

Большая книга, охватывающая проблемы молекулярной биоло­гии клетки и особенности клеток многоклеточных животных и рас­тений. Книга дает современное представление о клетке, она хорошо иллюстрирована. Написана как вводный курс в биологию клетки. [Имеется перевод: Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, К. Роберте, Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 5 томах. — М.: Мир, 1986, 1987.]

Asimov I.: Life and Energy, Avon Books, New York, 1962.

Достаточно простое, но элегантное описание энергетических основ жизни, сделанное одним из величайших писателей-ученых нашего времени.

Becker, Wayne М.: Energy and the Living Cell: An Introduction to Bioenergetics, Harper and Row, Publishers, Inc., New York, 1977.

Выдающееся краткое введение в проблемы биоэнергетики и энергетического обмена клетки; рассчитана на студентов.

Дата добавления: 2015-10-30