ПЕРВИЧНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА
Рассмотрим в заключение физику элементарных процессов, определяющих фотосинтез. Классификация этих процессов — первичных процессов фотосинтеза — дана Борисовым [75]. Рассмотрению подлежат следующие четыре типа явлений.
А. Поглощение света хлорофиллом и вспомогательными пигментами.
Б. Перенос (миграция) энергии от поглотивших свет молекул на реакционные центры.
В. Первичное разделение зарядов разного знака.
Г. Стабилизация новых носителей энергии во времени для сопряжения с последующими химическими стадиями.
Первая группа явлений хорошо изучена и описана выше. Обратимся теперь к миграции энергии в фотосинтетической системе. В работах Дейзенса [76] и других авторов было показано, что миграция энергии в этой системе действительно существует и происходит по резонансному механизму. В принципе возможны четыре различных механизма миграции [75]. При полупроводниковом механизме возбуждение молекулы светом переводит электрон в зону проводимости, после чего образовавшаяся пара разноименных зарядов (электрон и дырка) перемещается в упорядоченной молекулярной системе, в молекулярном кристалле. Однако в хлоропластах молекулярных кристаллов нет, строгий порядок присущ лишь относительно малым ансамблям молекул хлорофилла. Поэтому полупроводниковый механизм маловероятен [75]. Вместе с тем измерения фотопроводимости слоев Chi а и Chi b показали, что в максимуме фоточувствительности 7050 А свободные носители тока появляются через короткое время после освещения (не более чем через 10~8с) [77]. Хлорофилл образует в этих слоях кристаллоподоб - ные упорядоченные структуры.
Упорядоченность молекул пигментов в хлоропластах достаточна для миграции энергии по другим механизмам [78, 79]. Возможна миграция энергии триидетных возбужденных состояний [16] или резонансная миграция энергии экситонного или индуктивного типа. В двух последних случаях диполь-диполь - ное взаимодействие приводит к переносу энергии синглетного возбужденного состояния на невозбужденную молекулу [16, 75, 80]. При экситонной миграции она происходит за времена, сравнимые с периодами колебаний (т. е. за 10~'2—10~'5 с), на расстояния до 15—18А. Это наиболее быстрый механизм. При миграции индуктивного типа ей предшествует установление термического равновесия возбужденной молекулы со средой, и скорость миграции сильно зависит от температуры. Ряд экспе - § in. Первичные физические процессы фотосинтеза 371
Риментальных фактов свидетельствует в пользу быстрого экси- тонного механизма (см. [75]).
В работе Борисова обсуждаются экспериментальные основания для экситонного механизма [178]. Показано, что первичные физические стадии фотосинтеза, начиная с поглощения кванта и кончая его захватом в реакционном центре, протекают за время, не превышающее некоторый предел. Это критическое время (~100 не) на полтора-два порядка меньше характерных времен флуоресценции молекул красителей и является предельным для протекания реакций, лимитируемых диффузией. Такая быстрая миграция энергии обеспечивает высокий (более 90%) квантовый выход первичного процесса фотосинтеза и защиту хлорофилла in vivo от необратимой фотодеструкции. Экспериментальные данные подтверждают эти выводы для высших растений, зеленых и пурпурных бактерий [179].
Для понимания механизма миграции возбуждения в фотосинтетической системе нужно установить природу участников цепи переноса электронов (ЦПЭ) в хлоропластах и их локализацию. Как мы видели, несмотря на ряд надежно установленных фактов, эта проблема еще не решена. Схемы ЦПЭ, предлагаемые в современных работах, разнятся (см., например, [44, 81], а также [82]). Здесь мы остановимся лишь на некоторых существенных фактах. Еще в 1960 г. было установлено, что у фотосинтезирующих серных бактерий окисление цитохрома с происходит при поглощении света и при температуре жидкого азота [83]. В дальнейшем было показано, что этот процесс реализуется вплоть до гелиевых температур, причем ниже ШОК скорость электронного переноса перестает зависеть от температуры [82, 841. Сходные результаты получены для хлоропластов растений [82].
Независимость скорости переноса электронов от температуры при низких температурах привела к предположению о туннельном механизме переноса электрона между соседними носителями [84, 86]. Эта концепция была развита в работах [82, 87, 88], и о ней уже говорилось в § 6.6.
Все данные указывают на то, что перенос электронов происходит между центрами, фиксированными в мембране тилакоида. Эти центры могут рассматриваться как достаточно глубокие электронные ловушки, находящиеся на заметном расстоянии друг от друга. Приближенно можно представить центр потенциальной ямой и рассматривать уровни, которые занимает в ней перемещаемый электрон. Решается задача о переносе электрона между двумя соседними компонентами цепи, т. е. между основными уровнями двух потенциальных ям, разделенных барьером.
Эта задача уже рассмотрена в § 6.6. В действующей фотосинтетической системе равновесные конформации молекул в присутствии и в отсутствие электрона могут сильно разниться вследствие электронно-конформационных взаимодействий. После переноса электрона молекула акцептора оказывается в неравновесной конформации, медленно релаксирующей к равновесной. Это создает «динамическую» возможность сбалансированного резонанса и туннельного эффекта.
Приведенные выше соображения имеют пока качественный характер. Для их надежного обоснования необходима детальная информация о геометрии и энергетике ЦПЭ, пока отсутствующая.
Чернавский и сотрудники ([180], см. также монографию [170]) предложили модель ЦПЭ при фотосинтезе. В этой модели важную роль играют пластохиноны. Модель основывается на представлении об ЭКВ [89] — электрон присоединяется к фермент-субстратному комплексу и отделяется от него в результате туннельного эффекта. Модель согласована с перепадом потенциала и позволяет объяснить зависимость процесса от рН. Согласно этой теории процесс в целом весьма далек от равновесия.
Из всего изложенного следует, что сегодня мы многое знаем о фотосинтезе. Вместе с тем фотосинтез представляет собой настолько сложную систему явлений, что для сколько-нибудь полного понимания его молекулярных механизмов необходима еще очень большая работа.
