В процессе фотосинтеза действуют клетки, в которых есть хлорофилл. Внутри таких клеток, если на них попадает видимый свет, будет происходить преобразование неорганических компонентов в органические. "Расходным сырьем" оказываются вода и углекислота. Реакции происходят в растительных тканях, включающих хлоропласты. Значительная часть их приходится на лист, однако встречаются и исключения.
Важную роль играют хлоропласты, то есть особые двумембранные органоиды. Их наружная мембрана легко пропускает основную часть веществ. Но в контексте фотосинтеза особенно ценен пропуск особых транспортных белков. Именно они обеспечивают поступление пептидов из цитоплазмы. Внутренние мембраны устроены очень сложно, что позволяет действовать очень тонко, в том числе с разделением взаимно несовместимых веществ. Все это возникло не одномоментно, конечно, а в ходе длительной и противоречивой эволюции.
На уровне отдельных молекул фотосинтез был бы невозможен без пигментов. Именно они позволяют живой ткани обрабатывать солнечный свет. Чаще всего пигментом оказываются различные модификации хлорофилла (они отличаются у наземных растений, у зеленых водорослей, у бурых и красных водорослей). Но также не стоит сбрасывать со счетов каротиноиды, которые встречаются везде, за исключением прокариот. Еще иногда упоминают фикобилины. Хлорофилл по своему строению похож на гемоглобин, однако его центром будет магниевый, а не железный ион.
Каротиноиды не обязательно желтые или оранжевые вещества. Они могут иметь и красный цвет. Доминирование хлорофилла не позволяет заметить их. Но с наступлением осеннего периода ситуация меняется. Каротиноиды являются антенными веществами, то есть участвуют в собирающих свет комплексах. Их роль — отработка по тому участку спектра, с котором хлорофилл справляется неудовлетворительно. Но каротиноиды выступают еще и защитниками, подавляют свободные радикалы. С точки зрения химии эти вещества — 40-углеродные цепи с парой боковых углеродных колец.
Фотосинтез делится на световую и темновую стадии. В первом периоде энергия запасается в АТФ, образуется также восстанавливающий компонент НАДФН. Темновой период сопровождается очень сложным циклом Кальвина. Скорость этой фазы критически важна для всего процесса. После поглощения света вступают в работу центры реагирования в фотосистемах. Электроны от возбужденного хлорофилла переходят на иные вещества. Физическая форма движения материи сменяется химической формой.
Далее вступает в работу электрон-транспортная цепь. Каждый переносчик обязан по очереди восстанавливаться и окисляться, что позволяет гарантировать перемещение энергии. Часть ее неизбежно теряется. Темновая фаза делится на подфазы карбоксилирования, восстановления и регенерации (то есть преобразования сахаров). Очень важную роль играет фермент рубиско, без которого присоединение углекислоты невозможно. Потом клетка синтезирует разные сахара, чтобы решить очередную проблему, завершить фотосинтезирующий процесс.
Почему это все настолько важно
Именно фотосинтез преобразует в конечном счете поступающую от солнца энергию в химическую форму. Так обеспечивается деятельность всего живого. Исключение составляют только сравнительно редкие хемосинтезирующие организмы. Именно фотосинтез позволяет сохранить стабильную концентрацию кислорода в атмосфере. Этот процесс позволяет вводить неорганические формы углерода в биологический и геохимический оборот. Он же блокирует или в значительной мере ослабляет действие парникового эффекта. Без фотосинтеза жизнь была бы невозможна — в том виде, к которому все привыкли.