Открыт новый тип фотосинтеза
Открытие меняет понимание основного механизма фотосинтеза и должно привести к переписыванию учебников. Оно также повлияет на поиск внеземной жизни и подскажет, как создать более эффективные сельскохозяйственные культуры, использующие свет с большей длиной волны.
Исследование, опубликованное в Science, возглавил Имперский колледж Лондона при поддержке BBSRC. В работе участвовали группы из ANU в Канберре, CNRS в Париже и Сакле и CNR в Милане.
Подавляющее большинство жизни на Земле использует в процессе фотосинтеза видимый красный свет, но новый тип использует вместо него ближний инфракрасный свет. Он был обнаружен у широкого спектра цианобактерий (сине-зелёных водорослей), растущих в условиях ближнего инфракрасного света — в затенённых бактериальных матах в Йеллоустоне и в песчанике пляжей Австралии. Как теперь обнаружили учёные, он также работает в шкафу с инфракрасными светодиодами в Имперском колледже Лондона.
Фотосинтез за «красным пределом»
Стандартный, почти универсальный тип фотосинтеза использует зелёный пигмент хлорофилл-a как для сбора света, так и для использования его энергии в производстве полезных биохимических веществ и кислорода. Способ поглощения света хлорофиллом-a означает, что для фотосинтеза можно использовать только энергию красного света.
Поскольку хлорофилл-a присутствует во всех известных растениях, водорослях и цианобактериях, считалось, что энергия красного света задаёт «красный предел» для фотосинтеза — минимальное количество энергии, необходимое для сложной химической реакции, производящей кислород. В астробиологии «красный предел» используется для оценки возможности эволюции сложной жизни на планетах в других звёздных системах.
Однако, когда некоторые цианобактерии выращивают в условиях ближнего инфракрасного света, стандартные системы с хлорофиллом-a отключаются, и их заменяют другие системы, содержащие иной тип хлорофилла — хлорофилл-f.
До сих пор считалось, что хлорофилл-f лишь улавливает свет. Новое исследование показывает, что вместо этого хлорофилл-f играет ключевую роль в фотосинтезе в затенённых условиях, используя низкоэнергетический инфракрасный свет для сложной химии. Это фотосинтез «за красным пределом».
Ведущий исследователь профессор Билл Рутерфорд сказал: «Новая форма фотосинтеза заставила нас пересмотреть то, что мы считали возможным. Это меняет и наше понимание ключевых событий в основе стандартного фотосинтеза. Это то, что меняет учебники».
Предотвращение повреждения светом
Другая цианобактерия, Acaryochloris, уже известна способностью к фотосинтезу за красным пределом. Однако, поскольку это встречается только у одного вида в очень специфической среде обитания (под оболочкой асцидии, которая затеняет большую часть видимого света), это считалось «уникальным случаем».
Фотосинтез на основе хлорофилла-f, о котором сообщается сегодня, представляет собой третий широко распространённый тип фотосинтеза. Однако он используется только в особых затенённых условиях, богатых инфракрасным светом; при обычном освещении используется стандартная красная форма фотосинтеза.
Считалось, что повреждение светом за красным пределом будет более серьёзным, но новое исследование показывает, что в стабильных затенённых условиях это не проблема.
Соавтор доктор Андреа Фантуцци сказал: «Обнаружение типа фотосинтеза, работающего за красным пределом, меняет наше понимание энергетических требований фотосинтеза. Это даёт представление об использовании световой энергии и о механизмах, защищающих системы от повреждения светом».
Эти идеи могут быть полезны исследователям, пытающимся создать сельскохозяйственные культуры с более эффективным фотосинтезом, использующие более широкий спектр света. То, как эти цианобактерии защищаются от повреждений, вызванных колебаниями яркости света, может помочь понять, что возможно внедрить в культурные растения.
Меняющие учебники детали
В новых системах удалось рассмотреть больше деталей, чем когда-либо в стандартных системах с хлорофиллом-a. Хлорофиллы, часто называемые «дополнительными», фактически выполняли ключевой химический этап, а не «специальная пара» хлорофиллов в центре комплекса, как описано в учебниках.
Это указывает на то, что такая схема характерна и для других типов фотосинтеза, что изменит описание доминирующей формы фотосинтеза в учебниках.
Доктор Деннис Нюрнберг, первый автор и инициатор исследования, сказал: «Я не ожидал, что мой интерес к цианобактериям и их разнообразным жизненным формам обернётся серьёзным изменением в нашем понимании фотосинтеза. Удивительно, сколько ещё неизведанного хранит природа».