Многие научно-исследовательские лаборатории по всему миру ведут поиски решения энергетических проблем человечества. В первую очередь — это создание альтернативных источников энергии, не требующих использования невозобновляемых природных ресурсов. Доктор биологических наук Сулейман Аллахвердиев, заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений РАН, пытается добиться этой цели, “приручив” самый эффективный энергетический процесс — фотосинтез.
— Чтобы понять, о чем, собственно, идет речь, нужно немного углубиться в биологическую историю Земли, — говорит ученый. — Фотосинтез появился на Земле более 3 миллиардов лет назад. Именно тогда организмы приобрели способность эффективно использовать солнечную энергию для синтеза органических молекул, в которых энергия запасается. Процесс фотосинтеза привел к беспрецедентному взрыву биологической активности на Земле, позволив жизни процветать и изменяться огромными шагами, о чем свидетельствуют ископаемые останки животных и растительных организмов, сохранившиеся в земной коре с прежних геологических эпох, а также количество и разнообразие организмов, живущих на нашей планете сегодня. Благодаря этому процессу энергия Солнца и углекислый газ окружающей среды превращаются в органические вещества и затем накапливаются в форме полезных ископаемых: угля, нефти, газа.
Таким образом, фотосинтез — единственный известный в настоящее время процесс, использующий экологически чистый неиссякаемый источник энергии (излучение Солнца), причем с невероятно высокой эффективностью — квантовый выход превращения поглощенного фотона солнечной энергии в энергию разделенных зарядов при фотосинтезе составляет 100%. Человеческая жизнь сегодня также существует, в конечном итоге, за счет фотосинтетических систем.
— Если этот процесс столь эффективен, почему он не используется людьми?
— Процесс фотосинтеза чрезвычайно сложен, сложны и биологические молекулы, которые служат в нем катализаторами, обеспечивающими его рекордную эффективность. Биологи по всему миру ведут детальное изу-чение фотосинтетических систем, но не секрет, что большие биологические молекулы, особенно комплексы c металлами и пигменты (например, хлорофилл — зеленый пигмент, улавливающий солнечный свет в растениях, — это комплекс магния), — непростые объекты для исследования структуры даже с помощью самого современного оборудования. Изучение процесса фотосинтеза продолжается, но уже сейчас известно, что природные системы фотосинтеза, к сожалению, не могут быть напрямую использованы в технологических устройствах преобразования энергии Солнца: ряд важнейших биологических компонентов фотосинтетических систем нестабильны для целого ряда повреждающих стрессовых факторов. Задача ученых — понять, каковы молекулярные механизмы этого секрета природы. Если разобраться в них до мельчайших деталей, то можно будет создать искусственную технологию преобразования энергии Солнца на основе фотосинтеза и получать электричество, а также молекулярный водород, годный для топлива. Фотосинтез куда эффективнее современных способов выработки энергии, даже использующих возобновляемые источники. Для сравнения: при светозависимой стадии фотосинтеза коэффициент преобразования света равен 95%, а этот показатель для современных солнечных батарей в среднем равен 15%. Вопрос в том, чтобы создать искусственные аналоги необходимых для фотосинтеза веществ, которые будут обладать и эффективностью, и промышленной устойчивостью.
— Какие новые данные о фотосинтезе удалось получить вам?
— Я и мои коллеги последние 35 лет изучаем ключевые стадии фотосинтеза. В результате нами предложены детальные схемы процесса переноса электронов при фотосинтезе: энергетическая и кинетическая (показывающая путь протекания процесса). Кроме того, нами изучены структура и функции так называемой фотосистемы-2 (ФС-2) — фермента, который позволяет растениям “усваивать” энергию солнечного света для ее дальнейшего использования в расщеплении воды. Мы также исследовали первичные механизмы функционирования цепи транспорта электронов в ФС-2. Сейчас эти данные уже вошли в учебники по фотосинтезу во всем мире.
— Фотосистема-2 — это один из ферментов, которые можно применять для создания промышленных модулей?
— Да, для использования ФС-2 необходимо значительно ее модифицировать. Кислородвыделяющий комплекс (КВК) фотосистемы-2 — единственный в своем роде природный ферментный комплекс, способный осуществлять расщепление воды и выделение молекулярного кислорода, однако он работает только в среде растения. В изолированном виде КВК не может быть использован в качестве технического устройства вследствие его чрезвычайно ограниченной стабильности. Для того чтобы повысить стабильность и функциональную активность КВК ФС-2, необходимо провести еще целый ряд исследований. Место биологических молекул должны занять более стабильные искусственные металлсодержащие органические комплексы. Таким образом, задача разбивается на две: синтез комплексов, имитирующих природные, но имеющих большую стабильность, и их проверка в “боевых условиях” — замена ими природных комплексов в составе природного же КВК ФС-2.
— Удалось ли решить эти задачи?
— Скажем так, мы находимся на пути к созданию успешно функционирующей искусственной фотосистемы-2. “Мы” — это российско-японская группа ученых под моим руководством. Недавно вышла наша статья, посвященная получению перекиси водорода на ФС-2, реконструированной с помощью искусственных марганецсодержащих органических комплексов. Это первое опубликованное сообщение о разработке неприродной фотохимической схемы на основе реконструированной фотосистемы-2. Кроме того, нами найдены генно-инженерные пути, позволяющие значительно усилить устойчивость системы к стрессовым факторам окружающей среды. В настоящее время много фотосинтетических научно-исследовательских групп пытаются искусственно реконструировать ФС-2, но лишь немногим из них пока удалось накопить достаточный теоретический и экспериментальный опыт для успешного решения этих задач. Сотрудники Массачусетского технологического института недавно создали прототип энергетического элемента, способный генерировать электричество при помощи растительных белков. В качестве реагента используются протеины, выделенные из хлоропластов обычного шпината. Такая “шпинатная” батарея способна преобразовывать в электричество до 12% падающего на нее света, а ученые обещают в самое ближайшее время довести это значение до 20% за счет использования нескольких протеиновых слоев.
— Что вам позволяет получать обнадеживающие результаты?
— Мы широко используем все современные биофизические и биохимические виды исследований, методы генной инженерии, молекулярной и физико-химической биологии, включая ДНК-микрочипы, разрабатываем молекулярные механизмы адаптации фотосинтетического аппарата растений к неблагоприятным условиям окружающей среды.
— И что в итоге?
— Результатом наших исследований должно стать новое биомолекулярное техническое устройство (его можно разработать в сжатые сроки), с помощью которого будет получено действительно полное расщепление воды (на молекулярный кислород и водород) за счет энергии солнечного излучения. Именно такое устройство поможет приспособить чрезвычайно эффективную природную систему фотосинтеза для практических нужд человека и тем самым решить сложную энергетическую проблему современности.
Александра БОРИСОВА
Фото из архива
профессора С.Аллахвердиева
Нет комментариев