Растения — изучать и учиться
17 августа 1771 года, 255 лет назад, английский учёный Джозеф Пристли провёл знаменитый опыт, описанный им впоследствии в труде «Опыты и наблюдения разных видов воздуха». Эту дату сейчас считают днём открытия фотосинтеза, а о том, почему до сих пор это явление исследуют лаборатории и даже целые институты, рассказывает доктор биологических наук Борис Иванов, главный научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН.
— Борис Николаевич, вроде бы фотосинтез – это понятие, которое всем знакомо со школьных лет. Но оказывается, это большая фундаментальная проблема, которую изучают целые институты. Неужели тут остаются какие-то загадки?
— Дело в том, что тут есть много аспектов: скажем, для агрономов процесс фотосинтеза важен, потому что им важен урожай. Этот процесс активно изучается, потому что кислород, которым мы дышим, это продукт фотосинтеза. Когда я студентам читаю лекции, задаю вопрос: вот маленькое зёрнышко, из которого потом вырастает дерево. За счёт чего вырастает? За счёт процесса фотосинтеза. То есть фотосинтез – это процесс, который создает биомассу. Его могут изучать биологи, химики, физики – тут большой простор для исследований и исследователей.
— Но ведь фотосинтез был не всегда…
— Как мы знаем, кислород на нашей планете начал появляться 2,5-4 миллиарда лет назад, когда микроорганизмы, которые сейчас называются цианобактериями, освоили разложение воды. С ходом эволюции организмы осваивали новые ниши и научились окислять воду, а кислород – это побочный продукт, который образуется в определённых молекулярных структурах фотосинтезирующих организмов, когда из воды извлекается электрон. Для процесса фотосинтеза как продуцента биомассы кислород – это некий мусорный продукт. Но постепенно количество кислорода по сравнению с тем, которое образовывалось так называемым абиогенным путем, стало увеличиваться. Этот процесс начался как раз 2,5 миллиарда лет назад. Его ещё называют Великой экологической революцией или Великой кислородной революцией, хотя чаще встречается название Великая кислородная катастрофа, потому что из-за неё была уничтожена большая часть древних анаэробных организмов. Но в то же время открылся путь к сложной аэробной жизни.
— Как Джозеф Пристли объяснил этот процесс в восемнадцатом веке?
— Он действительно первым описал это явление в августе 1771 года. Пристли обнаружил, что растения способны «исправлять» воздух, испорченный дыханием животных или горением, выделяя кислород на свету. Для этого он сажал мышку под стеклянный колпак, и она со временем погибала, но, если там было зелёное растение, то мышка жила. Впоследствии великий русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев, чьё имя носит Институт физиологии растений РАН в Москве, доказал, что зелёный пигмент (хлорофилл) не просто улавливает свет, а химически участвует в превращении воды и углекислого газа в органические вещества. Он точно определил, какие лучи солнечного спектра дают энергию для питания растений, и доказал, что процесс усвоения света растениями подчиняется общему закону сохранения энергии. Именно Тимирязев объяснил, в частности, почему растение зелёное: потому что хлорофилл поглощает синий и красный свет, а зелёный отражается. Поэтому листва и трава для нас зелёного света. Кстати, максимум восприятия человеческого глаза тоже находится в зелёной области.
— Правда ли, что ваш институт начинался как институт фотосинтеза?
— Совершенно верно. Я пришёл работать полвека назад именно в институт фотосинтеза. Но и сейчас, после расширения института и смены названия, у нас есть несколько лабораторий, которые исследуют этот процесс с разных сторон.
— То есть, возвращаясь к первому вопросу, до сих пор не вполне понятно, как это происходит?
— Процесс познания бесконечен, и когда мы в него углубляемся, даже переходим на уровень квантовой механики, пытаемся понять, как при поглощении кванта света происходит разделение зарядов, как при этом меняется конфигурация молекул, то остановиться уже невозможно. Дело в том, что в так называемых реакционных центрах фотосинтеза этот процесс идёт практически со стопроцентной эффективностью. Как это обеспечивается? Почему? Какая молекулярная организация позволяет это делать? Если энергии слишком много, то есть слишком много света, и растение не может эту энергию переработать, происходит подавление фотосинтеза, так называемый процесс фотоингибирования, что может привести и к гибели всего растения. Однако в растениях предусмотрены механизмы защиты от такой ситуации.
— Сколько таких механизмов?
— Их очень много. Одни больше известны, другие меньше, и учёные хотят понять молекулярную организацию каждого процесса до конца. Мы сейчас с вами говорим о процессах поглощения кванта света и использования световой энергии, но это только один уровень работы и соответственно познания, однако таких уровней тоже немало.
— Это чисто фундаментальный интерес или тут есть какие-то практические задачи?
— Есть и практические задачи. Фотосинтетические реакционные центры и их модели учёные надеются вставить в технические устройства, в том числе в компьютеры. Стопроцентное преобразование энергии света – это очень заманчиво, поэтому мы видим интерес к этой теме. Сейчас стоит вопрос, как это технически использовать, как смоделировать с помощью химических соединений подобный процесс. Уже есть успехи, есть отдельные наработки, причём количество лабораторий, исследующих фотосинтез во всём мире, громадное. Мне пришлось работать в Америке, в Германии, в Японии в разных лабораториях, исследующих фотосинтез. В последние лет 10 исследования фотосинтеза основаны на генетических модификациях белков. Собственно, вся жизнь – это белки. Они обладают уникальной структурой, обеспечивая специфику тех или иных процессов. Сейчас проводят генетическую модификацию, создаются так называемые нокаутные мутанты – растения, в которых отсутствуют те или иные белки, и учёные изучают, что при этом происходит с фотосинтезом.
— Какое место здесь занимает наша страна, в частности, ваш институт?
— Нас знают и ценят. Люди, работавшие в нашем институте, охотно принимаются на работу ведущими зарубежными фотосинтетическими лабораториями.
— Некоторые люди считают, что они, подобно растениям, обладают свойством фотосинтезирования. Как вы к этому относитесь?
— Никак. Сам я питаюсь обычной едой. Если человек стоит на солнце, его освещают солнечные лучи. Если делать это слишком долго, возможны ожоги, даже появление рака кожи. Человек нагревается, получает какую-то энергию за счёт нагрева, но то, что кванты света могут в его организме преобразовываться в энергию – нет, я пока не вижу таких механизмов.
— Как вы считаете, мы можем чему-то научиться у растений?
— Научиться можно многому – прежде чего, тому, как они умеют выживать в изменяющихся условиях среды, приспосабливаясь к ним. В отличие от человека, от животных, они ведут прикреплённый образ жизни. Они не могут убежать, уплыть или улететь. Им приходится всё время приспосабливаться. Сегодня тучи и дождь, завтра жара. На зиму они засыпают, хотя, например, хвойные растения продолжают свой метаболизм, у них идёт биосинтез хлорофилла в иголочках. Мы можем пытаться научиться у растений этой удивительной приспособляемости, чтобы выработать для этого необходимые механизмы. Для меня важно найти эти механизмы, которые позволяют им адаптироваться.
18 августа 2026
