Эволюция хлорофилльного фотосинтеза

[Oleg_Dm]

Начнем с того что молекулы Н2S и H2O рассматривать в свободном состоянии мало смысла, по простой причине что одно газ другое нетипичная жидкость при интересуемых нас условиях. Значит смотрим водные растворы. Где при максимальной концентрации Н2S (25 град) на 550 тыс. молекул воды приходится 998 молекул Н2S и 2 молекулы в виде H30+ и HS-, в свою очередь окруженных кластерами воды в 18-30 молекул. Т.е. раствор Н2S это вода, вода и еще раз вода. Об этом надо помнить если мы говорим про замену H2S на H2O. Встает вопрос если вода есть и всегда зачем искать H2S которой очень мало и не всегда найдешь? Выглядит усложнением сущности.

Я допускаю что H2S имеет какой то особый смысл, но тогда надо выяснять какой именно.

Теперь с водой она уникальна сама по себе потому что состоит из двух фаз одновременно, каждая из которой структурирована в различные кластеры из разного числа молекул. Кластеры состоят из связанных водородными связями молекул. В отличии от этого H2S не образует водородных связей, кластеров но склонно к образованию серных полимеров с размазанными валентностями например ион S32(-). Также сероводород имеет большую склонность к реакциям с органикой, что не добавляет ему привлекательности на начальных стадиях становления источников энергии. Попросту он является клеточным ядом.

Все это вызывает целый пласт вопросов и необходимость копаться в истоках процесса.

Ну начальная система видимо все таки АДФ+РО4 + уф-квант = АТФ
первоначально она не требовала никаких пигментов т.к. ничего её не закрывало от света. В дальнейшем должны были развиться какие то примитивные системы в том числе примитивная "родопсиновая" и примитивная "хлорофильная".

Усваивают свет также каротиноиды и фикобилины, меланин и т.п. Все это говорит о сложном происхождении фотосинтеза. Я не знаю какие последние исследования на сей счет.

[Дж. Тайсаев]

меня Вы пожалуй убедили

[Комбинатор]

АДФ и АТФ могут конечно претендовать на роль перпетум мобиле фототрофов, но для этого им как минимум нужен приёмник света (пигмент) и посредник для её перевода в тепловую энергию.

Вроде бы, проводились опыты, подтверждающие, что АТФ может синтезироваться из АДФ под действием ультрафиолета и напрямую. Вот, например, отрывок из статьи Скулачёва "ЭВОЛЮЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ":
======================================

"УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ФОТОСИНТЕЗ" С АДЕНИНОМ В КАЧЕСТВЕ АНТЕННЫ, УЛАВЛИВАЮЩЕЙ СВЕТ

Синтез АТФ из АДФ под действием ультрафиолетового света. Путь от смеси органических и неорганических молекул к первой живой клетке был, по-видимому, столь долог, что требовался некий постоянный источник энергии, доступный в течение всего периода возникновения жизни. Среди возможных кандидатов на роль такого источника, пожалуй, предпочтительнее всего ультрафиолетовый свет. Он поглощается любыми химическими веществами, резко повышая их реакционную способность благодаря большому запасу энергии ультрафиолетового кванта. Есть основания считать, что на заре биологической эволюции ультрафиолетовые кванты свободно достигали поверхности Земли, лишенной в те времена современной кислородсодержащей атмосферы с ее поглощающим ультрафиолетовый свет озоновым слоем.

Моделируя атмосферу древнейшей Земли, К. Саган пришел к выводу о существовании в ней "окна" в области 240-290 нм, прозрачного для ультрафиолетового света, поскольку основные простые компоненты этой атмосферы (Н2О, СН4 , NН3 , СО2 , СО и HCN) поглощают свет короче 240 нм, а формальдегид, также входивший, как полагают, в ее состав, имеет максимум поглощения длиннее 290 нм. Именно в этом "окне" располагаются спектральные максимумы пуринов и пиримидинов.

Еще в 60-е годы С. Понамперума и сотрудники экспериментально показали, что облучение ультрафиолетовым светом синильной кислоты ведет к химическому синтезу аденина и гуанина. Обнаружено также, что облучение смеси метана, аммиака, водорода и воды вызывает образование как пуринов, так и пиримидинов, причем с наибольшим выходом для аденина. Ультрафиолетовый свет можно использовать также для синтеза аденозина из аденина и рибозы и далее аденозинмоно- и дифосфатов из аденозина и этилметафосфата. Но, пожалуй, наиболее важный опыт был поставлен теми же авторами с АДФ. Оказалось, что облучение смеси АДФ и этилметафосфата ультрафиолетовым светом дает АТФ с достаточно хорошим выходом, причем этот процесс демонстрируется в строго стерильных условиях и в отсутствие каких-либо белков.

К. Саган и С. Понамперума приводят следующие доводы в пользу заключения о том, что в качестве антенны для ультрафиолетового света аденин имеет преимущества по сравнению с другими пуринами и пиримидинами: 1) наибольшее поглощение света в спектральном "окне", о котором шла речь выше; 2) наибольшая стабильность к разрушительному действию ультрафиолетового света и 3) большее время жизни возбужденного состояния, возникающего в ответ на поглощение ультрафиолетового кванта.

Расчеты Л.А. Блюменфельда и М.И. Темкина привлекли наше внимание к тому факту, что величины изменения свободной энергии при нарушении ароматической структуры аденина близки к энергии реакции синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

[Дж. Тайсаев]

любопытно, спасибо. Выходит что фототрофность не такой уж и беспосадочный перелёт, как пытаются показать креационисты

[Комбинатор]

Начнем с того что молекулы Н2S и H2O рассматривать в свободном состоянии мало смысла, по простой причине что одно газ другое нетипичная жидкость при интересуемых нас условиях. Значит смотрим водные растворы. Где при максимальной концентрации Н2S (25 град) на 550 тыс. молекул воды приходится 998 молекул Н2S и 2 молекулы в виде H30+ и HS-, в свою очередь окруженных кластерами воды в 18-30 молекул. Т.е. раствор Н2S это вода, вода и еще раз вода. Об этом надо помнить если мы говорим про замену H2S на H2O. Встает вопрос если вода есть и всегда зачем искать H2S которой очень мало и не всегда найдешь? Выглядит усложнением сущности.

Просто потому, что отнять электрон у H2S примерно в семь (!) раз проще, чем у H2O, причём, в последнем случае обязательно нужно иметь сразу два реакционных центра, с одним ничего не получится. Понятно, что вероятность появления в результате случайных мутаций сразу двух реакционных центров пренебрежительно мала. Кроме того, исследования остатков наиболее древних цианобактериальных матов показывают, что они, по видимому, не имели в своём составе оксигенных фотосинтетиков. Я собираюсь по этому поводу написать ещё отдельную статью.

Я допускаю что H2S имеет какой то особый смысл, но тогда надо выяснять какой именно.

Смысл именно в гораздо более низком (практически на порядок!) пороге энергии для активации реакции.

Также сероводород имеет большую склонность к реакциям с органикой, что не добавляет ему привлекательности на начальных стадиях становления источников энергии. Попросту он является клеточным ядом.

Сероводород используется вовне цитоплазмы, за плазматической мембраной. Кроме того, переоксид водорода, являющийся промежуточным продуктом в реакции разложения воды, является вообще одним из самых агрессивных оксидатов, активно атакующих любые органические молекулы. Не забываем так же, что и собственно свободный кислород является клеточным ядом, особенно, для анаэробов.

Ну начальная система видимо все таки АДФ+РО4 + уф-квант = АТФ
первоначально она не требовала никаких пигментов т.к. ничего её не закрывало от света. В дальнейшем должны были развиться какие то примитивные системы в том числе примитивная "родопсиновая" и примитивная "хлорофильная".

Да, есть такая теория, и я считаю её вполне логичной и даже красивой (см. так же мой предыдущий пост), но всё же пока, насколько я понимаю, у неё маловато доказательств и она отнюдь не считается общепринятой. Кроме того, статья всё же конкретно про эволюцию хлорофилльного фотосинтеза, а не про эволюцию фотосинтеза вообще...

Усваивают свет также каротиноиды и фикобилины, меланин и т.п. Все это говорит о сложном происхождении фотосинтеза. Я не знаю какие последние исследования на сей счет.

У наиболее примитивно устроенных хлорофилльных фотосинтетиков нет ни пигментов ни специальных органелл для фотосинтеза. Естественно, что всё это появлялось постепенно, в результате долгой эволюйции.

[Oleg_Dm]

В том что Н2S в отличии от воды сильный восстановитель я не сомневаюсь, о чем я и писал говоря о гигантских отличиях этих веществ. То что первый фотосинтез не был оксигенным я тоже уверен. Вопрос то не в том что почему не вода, а сероводород. Вопрос почему сероводород? И этот вопрос на самом деле очень интересен. Судя потому что необходимые для биосинтеза вещества возникли в восстановительных условиях, там мог быть Н2S. Гипотеза о восстановительной атмосфере у планет земного класса пока никто не доказал, так что скорее всего она была нейтральной. А источники серных газов  дают  SO2 или H2S. Мало того H2S необходим был для формирования липидов. Вполне возможно что использование серы в данном случае вообще случайное, будучи молекулой реакционно-способной она вошла в состав первых протобелков, будучи сильным востановителем могла заменять где то функции НАДН или еще чего. Отсюда можно предполагать его использование уже в частности в фотосинтезе. Сравнить имеющиеся в наличии молекулы в тех же условиях. Сравнить их потенциалы в эв, сравнить размеры, сравнить химизм, посмотреть на участие в других процессах и сказать почему Н2S. Это будет стройно и понятно.

И вопрос перехода на воду уже не будет стоять в принципе, не нужно говорить о несуществующем сходстве веществ, просто за неимением нужного вещества было использовано то чего больше всего в клетке - и имеет протоны - вода.

[Комбинатор]

Вполне возможно что использование серы в данном случае вообще случайное, будучи молекулой реакционно-способной она вошла в состав первых протобелков, будучи сильным востановителем могла заменять где то функции НАДН или еще чего. Отсюда можно предполагать его использование уже в частности в фотосинтезе. Сравнить имеющиеся в наличии молекулы в тех же условиях. Сравнить их потенциалы в эв, сравнить размеры, сравнить химизм, посмотреть на участие в других процессах и сказать почему Н2S. Это будет стройно и понятно.

Наверно, но для этого нужно проводить другое, совершенно отдельное исследование. У меня лично для него явно не хватает квалификации. Но если есть желаюшие всерьёз этим заняться, я только за.

[Oleg_Dm]

Если будет время, может попробую набросать общие штрихи этого процесса. А в вашем обзоре, я убрал бы про сходство молекул, замените на просто доступность воды как донора протонов и высокий процент её в клетке и снаружи. Чтобы не вызывать кривотолков.

[Комбинатор]

Если будет время, может попробую набросать общие штрихи этого процесса. А в вашем обзоре, я убрал бы про сходство молекул, замените на просто доступность воды как донора протонов и высокий процент её в клетке и снаружи. Чтобы не вызывать кривотолков.

Хорошо, подумаю на эту тему.