Возможно, вы недостаточно цените растения. Все в порядке - никто из нас этого не делает. Учитывая, что растения были главными действующими лицами в запутанной мыльной опере жизни, которая привела нас на эту планету, мы должны каждый день благодарить наших лиственных друзей за наше существование.
Честно говоря, вся эта история настолько запутана и сложна, что мы, возможно, никогда не узнаем правду о том, как наши зеленые предки позволили эволюционировать всем остальным, но один аспект этой истории, безусловно, связан с фотосинтезом - способностью растений производить свои собственные еда без солнечного света.
Фотосинтез: ключ к жизни
«Отличный способ оценить фотосинтез - сравнить атмосферу Земли с атмосферой наших «сестринских» планет», - говорит Грегори Шмидт, почетный профессор кафедры биологии растений Университета Джорджии.«Все три планеты, скорее всего, были похожи, когда они формировались и охлаждались, но атмосферы как Венеры, так и Марса содержат 95 процентов углекислого газа (CO2), 2,7 процента азота (N2) и 0,13 процента кислорода (O2). Воздух Земли состоит из 77 процентов. N2, 21 процент O2 и 0,41 процента CO2 - хотя это число растет. Это означает, что в нашей атмосфере 800 гигатонн углекислого газа, но есть еще 10 000 гигатонн - 10 000 000 000 тонн - пропавших без вести или похороненных в виде ископаемого известняка, угля и нефти."
Другими словами, углерод контрабандным путем вывозился из атмосферы в земную кору в течение миллиардов лет, и это единственная причина, по которой эта планета вообще населена многоклеточными организмами.
" Итак, как же произошел этот резкий атмосферный сдвиг для Земли?" - спрашивает Шмидт. «Есть только один ответ, и он довольно прост: фотосинтез, самый удивительный фактор в эволюции Земли».
Зеленая революция
ФОТОСИНТЕЗ, друзья. Примерно через миллиард лет после образования Земли на ней появилась жизнь - вероятно, сначала в виде анаэробных бактерий, поглощающих серу и водород, выходящие из гидротермальных источников. Теперь у нас есть жирафы. Но на пути между первыми бактериями и жирафами было 10 000 гигатонн шагов: этим древним бактериям пришлось найти способ найти новые гидротермальные источники, что привело к развитию теплочувствительного пигмента под названием бактериохлорофилл, который некоторые бактерии до сих пор используют для обнаружения инфракрасного сигнала, генерируемого теплом. Эти бактерии были прародителями потомков, которые могли производить хлорофилл, пигмент, способный улавливать более короткие, более энергичные длины волн солнечного света и использовать их в качестве источника энергии..
Так что, по сути, эти бактерии создали средство для захвата энергии солнечного света. Следующий эволюционный скачок потребовал разработки способа стабильного хранения энергии - создания своего рода солнечной батареи, которая побуждала бы протоны накапливаться на одной стороне их внутренних мембран, а не на другой.
Горящая вода (Фотосистема II)
Истинное чудо эволюции растений и водорослей заключается в том, что в какой-то момент эти древние бактерии, производящие хлорофилл, начали вырабатывать кислород. В конце концов, миллиарды лет назад в атмосфере на самом деле было очень мало кислорода, и он был токсичен для многих ранних бактерий (он до сих пор токсичен для анаэробных бактерий, которые остались в бескислородных местах на Земле). Однако новый процесс захвата и хранения солнечного света требовал, чтобы участвующие бактерии сжигали воду. Да, они сожгли то, что пожарные используют для тушения пожаров.
Процесс горения - это всего лишь окисление - отрыв электронов от одного атома и передача этих электронов другому (что называется восстановлением). Ранние фотосинтезирующие бактерии разработали способ улавливать фотоны - в основном частицы света - и использовать их энергию, чтобы лишить воду многих ее протонов и электронов, чтобы использовать их для производства энергии.
Прорыв из прорывов произошел 3 миллиарда лет назад, когда фотосинтетический механизм был усовершенствован до такой степени, что хлорофилл мог расщеплять две молекулы воды одновременно - в наши дни мы называем это «кластером фотосистемы II хлорофилл-белок».
Зеленые батареи (Фотосистема I)
Цианобактерии появились после того, как эти фотосинтетические бактерии поняли, как сжигать воду и накапливать энергию от этой химической реакции. В фотосинтезе Фотосистема II (сжигание воды) не может поддерживаться без второй стадии, Фотосистемы I, которая включает в себя захват электронов, унесенных с молекул воды на первой стадии, и использование их до того, как они распадутся. Фотосистема I делает это, прикрепляя эти электроны к химическому конвейеру, чтобы организм мог сохранить эту с трудом заработанную энергию, которая затем используется для преобразования CO2 в сахар, который бактерии используют в качестве пищи.
Рассвет хлоропластов
Как только фотосистемы I и II были отсортированы, цианобактерии захватили океаны, и, поскольку кислород был их отходами, его стало много в атмосфере Земли. В результате многие бактерии стали аэробными, то есть им требовался (или, по крайней мере, переносился) кислород для их метаболических процессов. Примерно миллиард лет спустя простейшие эволюционировали как анаэробы (организмы, которым не нужен кислород для роста), поглощающие аэробную бактериальную добычу. По крайней мере, однажды бактерии не были полностью переварены, но остались внутри клетки и в конечном итоге помогли анаэробному организму, не переносящему кислород, справиться с аэробной средой. Эти два организма склеились, и в конечном итоге организм-жертва превратился в клеточную органеллу, называемую митохондриями.
Похожий сценарий произошел с цианобактериями около 1 миллиарда лет назад. В этом случае аэробное простейшее, вероятно, поглотило цианобактерию, которая в конечном итоге обосновалась внутри своего хозяина, в результате чего образовалась небольшая мембранная органелла, общая для всех растений: хлоропласты.
По мере того, как водоросли и многоклеточные растения развивались и извлекали выгоду из обильного содержания CO2 и увеличения количества кислорода в атмосфере Земли, хлоропласты стали местом, где происходил фотосинтез - фотосистемы I, II и даже более сложные вещества - в каждой клетке. Как и у митохондрий, у них есть собственная ДНК, и они тратят свое время на сбор света для растений, создавая основу для жизни на Земле.
Интересно
Первый ледниковый период на Земле, вероятно, был результатом того, что цианобактерии производили так много кислорода и поглощали столько углерода в атмосфере, что температура резко упала.
Часто задаваемые вопросы
Что такое фотосинтез для детей?
Фотосинтез - это когда растение производит себе пищу. Растение поглощает солнечный свет и использует его для превращения воды и углекислого газа в кислород и глюкозу.