Переписать учебники. Ученые предложили пересмотреть «школьное» определение фотосинтеза

28 августа 2024 3 мин.

Согласно учебникам по ботанике, фотосинтез — это процесс, при котором растения используют энергию света и создают органические вещества, выделяя при этом кислород и поглощая углекислый газ. Однако известен и так называемый аноксигенный фотосинтез, когда кислород не выделяется и углекислый газ не поглощается, а синтезируются лишь несущие энергию молекулы АТФ.

Ранее считалось, что доля аноксигенного фотосинтеза в общем фотосинтезе высших растений невелика. В ходе недавних исследований ученые выяснили, что на самом деле этот процесс в листьях даже может преобладать. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plant Physiology and Biochemistry (France).

На листьях тропических растений часто можно встретить светло-зеленые полосы или пятна — это зоны, в которых мало (часто менее 15% от нормы) хлорофилла — пигмента, отвечающего за фотосинтез. Фотосинтез — это процесс, который позволяет растениям, используя энергию света, синтезировать органические вещества и тем самым обеспечивать свое питание. Кроме того, именно в ходе фотосинтеза растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород. Долгое время считалось, что, раз в обесцвеченных частях хлорофилла мало, фотосинтез в них должен идти намного хуже. Однако некоторые исследования показывают, что разницы практически нет, при этом оставалось не до конца понятным, чем это можно объяснить.

Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов (Ростов-на-Дону) исследовали, как протекает фотосинтез в зеленых и обесцвеченных частях листьев драцены душистой (Dracaena fragrans). Этот вечнозеленый кустарник, внешне напоминающий пальму, часто выращивают в качестве комнатного растения. Авторы выбрали этот вид потому, что его листья в центре темно-зеленые, а по краям —светло-зеленые. Для эксперимента биологи отрезали кусочки листьев разной расцветки и измерили в них количество хлорофилла. Оказалось, что в светло-зеленых частях хлорофилла в 7,5 раз меньше, чем в темно-зеленых.

Затем исследователи оценили, насколько активно темно-зеленые и светло-зеленые кусочки листьев поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Для этого образцы помещали в проточную камеру, через которую пропускали воздух, и на выходе измеряли концентрацию углекислого газа чувствительными к нему сенсорами. Выделение кислорода отслеживали с помощью нового метода фурье-фотоакустической спектроскопии, разработанного авторами ранее. Он позволяет регистрировать только кислород, выделяемый при фотосинтезе, независимо от поглощения этого газа при дыхании и фотодыхании.

Растения, использованные в исследовании. Источник: Chalenko et al. / Plant Physiology and Biochemistry, 2024.

Эксперименты показали, что темно-зеленые и светло-зеленые части листьев поглощают углекислый газ и выделяют кислород одинаково интенсивно. На основании этих экспериментов, а также исследований флуоресценции хлорофилла авторы предположили, что в темно-зеленых секторах большое количество пигмента оказывается «занято» так называемым аноксигенным фотосинтезом — процессом, в ходе которого не выделяется кислород и не улавливается углекислый газ. Химические реакции аноксигенного фотосинтеза позволяют на свету только лишь запасать дополнительную энергию в виде химических связей молекулы АТФ — универсального источника энергии в клетке. Поэтому светло-зеленые части листа, хоть и теряют большую часть пигмента, сохраняют при этом высокий (сопоставимый с нормальными листьями) уровень обычного (оксигенного) фотосинтеза, но аноксигенный фотосинтез у них снижен.

Ранее ученые задумывались о том, зачем тропическим растениям светло-зеленые полосы и пятна на листьях. Наши наблюдения заставляют поставить вопрос по-другому: зачем нужен избыток пигмента в темно-зеленых областях, если и в светлых частях листа «обычный» фотосинтез идет с высокой эффективностью? Кроме того, полученные результаты дают основания пересмотреть школьные учебники в части определения фотосинтеза.