Содержание
Сладких снов! Выбираем растения для спальни!
Не секрет, что комнатные растения улучшают качество воздуха в наших домах за счет выделения большого количества кислорода, а также за счет фильтрации химических токсинов, биоотходов и микробов. Кроме того, они компенсируют низкую влажность воздуха. Однако, большинство растений выделяют кислород не постоянно, а только днем в процессе фотосинтеза, когда вырабатывается кислород и поглощается углекислый газ. Ночью происходит обратный процесс — большинство растений забирают кислород из воздуха и выделяют углекислый газ, осуществляя процесс дыхания. Дыхание нужно растениям, чтобы вырабатывать энергию, которая впоследствии превращается в питание для их клеток. Растения получают необходимый кислород в основном через листья. В каждом из них, несмотря на достаточно прочную защитную оболочку, есть небольшие отверстия для газообмена, называемые устьица.
Тем не менее, существуют некоторые виды растений, которые выделяют кислород даже в ночное время без воздействия прямых солнечных лучей.
Присутствие таких комнатных цветов в спальне обеспечит большее количество кислорода, необходимого для хорошего сна. Кстати, специалисты NASA подсчитали, что для комфортного существования на каждые девять квадратных метров жилого помещения должно приходиться по комнатному растению.
Алоэ Вера
Алоэ Вера отличается своей неприхотливостью. Главное – это соблюдать режим полива. Растение почти не поливают зимой, а летом по мере высыхания почвы. Алоэ выделяет кислород даже ночью. Растение обладает целебными свойствами и активно поглощает из воздуха загрязнитель формальдегид.
Сансевиерия / «Тещин язык»
В обиходе вы часто услышите ее народное прозвище — «Тещин язык». Сансевиерия — одно из лучших растений для очистки воздуха в помещениях. Кроме выделения кислорода ночью, Сансевиерия активно поглощает вредные летучие соединения. Растение крайне неприхотливо и не нуждается в постоянном внимании.
Хлорофитум
Эксперты говорят, что это «растение-паук» также является чемпионом по очищению воздуха.
Испытания NASA показали, что оно удаляет из воздуха около 90% потенциально канцерогенных химических соединений формальдегида. Четыре взрослых Хлорофитума очищают воздух в помещении 10 кв. м на 70-80%.
Помимо очищения воздуха, он также впитывает запахи и пары, поддерживает высокий уровень кислорода в помещении, способствуя улучшению сна.
Спатифиллум
Это растение не только радует глаз прекрасными, благородными цветами, но также поглощает из воздуха вредные вещества, насыщая его кислородом даже ночью. Спатифиллум подходит абсолютно любому человеку, а находясь в спальне, обеспечивает крепкий и здоровый сон.
«Рождественский кактус»/ «Декабрист» / Шлюмбергера
Речь идет об одном и том же растении. При правильном уходе кактус расцветает к Рождеству. Сочные листья выделяют кислород в течение всей ночи. Кактус предпочитает рассеянный солнечный свет.
Орхидеи
Орхидеи выделяют кислород в ночное время и идеально подходят для спальни.
Приятно окружить себя такой красотой. За орхидеями надо уметь ухаживать. Днем орхидеям необходимо достаточно солнечного света.
Каланхоэ
Неприхотливое комнатное растение. Только вода и яркий солнечный свет необходимы для его роста и цветения. Аромат этого цветка помогает снять депрессию, а также насыщает воздух кислородом днем и ночью.
Пальма Арека
Пальма отдает кислород в ночное время и эффективно поглощает различные виды вредных летучих соединений. Арека является естественным увлажнителем воздуха.
польза комнатных цветов для человека
Даниил Давыдов
медицинский журналист
Профиль автора
Да — но только если речь идет о воздухе в маленькой, полностью замкнутой камере.
В проветриваемой городской квартире комнатные растения вряд ли смогут насытить воздух кислородом и заменить воздушные фильтры. Зато у них есть другие преимущества: комнатная зелень успокаивает нервы и помогает поддерживать оптимальную влажность воздуха.
Сходите к врачу
Наши статьи написаны с любовью к доказательной медицине. Мы ссылаемся на авторитетные источники и ходим за комментариями к докторам с хорошей репутацией. Но помните: ответственность за ваше здоровье лежит на вас и на лечащем враче. Мы не выписываем рецептов, мы даем рекомендации. Полагаться на нашу точку зрения или нет — решать вам.
Почему считается, что растения улучшают воздух
Растения умеют создавать себе пищу буквально из воздуха и воды. Для этого они захватывают углекислый газ из воздуха и вытягивают воду из земли, а потом разбирают их на части.
Из воды растения берут водород и кислород, а из воздуха — углерод и кислород, а затем используют все это для производства сахаров, например глюкозы. В процессе образуется лишний кислород, который растения выделяют в атмосферу в виде газа. Получается, что растения очищают воздух от избытка углекислого газа и насыщают его необходимым для дыхания кислородом.
Почему растения выделяют кислород — бюллетень Университетского Лондонского колледжа
Растения создают сахара из углекислого газа и воды, а от лишнего кислорода избавляются, выбрасывая его в атмосферу.
Источник: UCL
Чтобы создавать сахара, растительным белкам необходимо получать достаточно солнечного света — поэтому этот процесс называют фотосинтезом, то есть созданием новых веществ при помощи света. По ночам, когда света нет, растения поглощают кислород и выделяют углекислый газ — совсем как люди и животные.
Но это еще не все. Помимо углекислого газа, растения способны поглощать из воздуха летучие органические соединения вроде формальдегида, угарного газа, бензола и метана, многие из которых в высоких концентрациях вредны для здоровья.
Некоторые летучие органические соединения попадают в воздух в процессе разложения пластика и когда мы пользуемся чистящими средствами и освежителями воздуха. Другие входят в состав табачного дыма и автомобильных выхлопов, которые попадают в дом с улицы.
Растения способны поглощать летучие органические соединения из воздуха — журнал «Экология и исследования загрязнения окружающей среды»PDF, 721 КБ
Некоторые растения просто накапливают летучие органические соединения в листьях, другие перерабатывают и используют для собственных нужд, а третьи выводят в землю через корни и «скармливают» почвенным бактериям и грибкам.
Что такое летучие органические соединения — бюллетень Американского агентства по защите окружающей среды
Отсюда логично предположить, что цветы в горшках, стоящие в комнате, делают воздух полезнее и чище. Однако на практике, как это обычно бывает, не все так просто.
Могут ли растения насыщать комнатный воздух кислородом
Короткий ответ — да, но для людей этого кислорода будет слишком мало.
Дело в том, что растения производят кислород в процессе собственного роста, то есть строительства листьев и корней. При этом растения разных видов растут с разной скоростью. Но в среднем один комнатный цветок набирает примерно 0,2 грамма веса в сутки. Ботаник Марко Торн подсчитал, что в сутки среднее растение выделяет всего 30 миллилитров кислорода.
С какой скоростью растение прибавляет в весе? — задачка от исследователей из Калифорнийского университета
Взрослый человек вдыхает и выдыхает 7—8 литров воздуха в минуту. При этом в воздухе содержится примерно 20% кислорода, из которого человек усваивает всего 5%.
Это значит, что человеку нужно примерно 550 литров чистого кислорода в сутки.
Человеку нужно 550 л кислорода в сутки — отчет об экономической оценке кислородной экосистемыPDF, 100 КБ
При всем уважении к комнатным растениям их вклад в насыщение воздуха кислородом не столь уж и велик. А если учесть, что ночью растения дышат точно так же, как мы, то в реальности он еще меньше.
Могут ли растения очищать комнатный воздух от летучих органических соединений
И снова ответ будет таким: да, но жителям обычной городской квартиры от этого не будет почти никакой пользы.
В 1989 году Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США, или NASA, искало дешевый и экологичный способ улучшить качество воздуха на космических станциях. На первый взгляд, на эту роль лучше всего подходили зеленые растения.
Исследование интерьерных ландшафтных растений для борьбы с загрязнением воздуха в помещениях — исследование NASA
Чтобы проверить это предположение, исследователи из NASA поместили растения 12 разных видов в герметичные камеры объемом 1 м³, закачали внутрь пары формальдегида, бензола и трихлорэтана, а через сутки измерили, сколько летучих органических соединений осталось в камерах.
Оказалось, что за это время растения удалили из камеры от 10 до 70% вредных веществ.
Лучше всех, согласно отчету ученых, с этой ответственной миссией справились 9 растений: бамбуковая пальма, шефлера, садовая хризантема, драцена окаймленная, вьющийся плющ, нефролепис, сциндапсус, спатифиллум и азалия. Из этого факта многие люди сделали вывод, что домашние растения способны очищать воздух в комнате от летучих органических соединений.
10 комнатных растений, за которыми легко ухаживать
Однако в 2020 году двое сотрудников Департамента гражданской, архитектурной и экологической инженерии США засомневались в этом. Ведь результаты были получены в герметичной камере объемом 1 м³. А это совсем не то же самое, что городская комната площадью 38 м², в которую помещается 100 м³ воздуха. Особенно если учесть, что благодаря форточкам и хорошо работающей вентиляции воздух в комнате полностью меняется примерно за час.
Американские инженеры проанализировали данные 196 экспериментов с растениями в горшках, но на сей раз учли размер жилых комнат, скорость воздухообмена между помещением и улицей и время, в течение которого в комнате стояли растения.
Горшечные растения не улучшают качество воздуха в помещении — Журнал экспозиции и эпидемиологии окружающей среды
После всех поправок оказалось, что для достижения результатов, продемонстрированных NASA, на каждом квадратном метре обычной городской квартиры пришлось бы разместить 10, а при высокой скорости воздухообмена — 100 растений. Даже 380 растений в квартире — явно многовато.
Как комнатные растения на самом деле влияют на здоровье людей
Хотя домашние цветы вряд ли способны заменить воздушные фильтры, это еще не значит, что они годятся только для украшения интерьера. Растения как минимум поднимают настроение — а некоторые ученые даже надеются, что зелень в горшках сможет помочь в борьбе с пандемией COVID-19.
Растения делают учебу более приятной. Например, тайваньские школьники, которые занимались в классах, где пол на 6% был покрыт зелеными растениями, чувствовали себя комфортнее и были дружелюбнее по отношению друг к другу, чем школьники, которые занимались в классе с голым полом.
Влияние зеленых комнатных растений на поведение и самочувствие тайваньских школьников — журнал «Окружающая среда и поведение»
Растения сохраняют психологическое здоровье на самоизоляции. В 2020 году итальянские психологи опросили почти 4 тысячи соотечественников и выяснили: чем больше растений было в домах, тем меньше их хозяева злились, тревожились, боялись и страдали от проблем со сном на самоизоляции.
Связь между зелеными насаждениями внутри помещений и психологическим здоровьем во время изоляции от COVID-19 в Италии — журнал «Городское лесное хозяйство и городское озеленение»
Правда, пока это только предварительные данные.
Но если они подтвердятся и удастся подсчитать, сколько растений достаточно для поддержания психического здоровья, зеленые зоны в больницах и домах престарелых могут стать полезным методом сохранения психического здоровья пожилых и людей с заболеваниями.
Растения помогают поддерживать оптимальную влажность в комнате.
Несколько исследований показали, что растения увлажняют слишком сухой воздух и поглощают избытки воды из чересчур влажного. Уровень влажности, которого «добиваются» растения, не дает расти плесени и способствует высыханию мельчайших капель воды, вместе с которыми вирусы попадают в воздух при чихании и кашле.
Некоторые исследователи даже надеются, что живые увлажнители воздуха помогут снизить эффективность передачи коронавирусной инфекции. Если будущие исследования покажут, что хозяева растений реже заражаются коронавирусной болезнью, это будет важным плюсом в пользу домашнего садоводства.
Роль комнатных растений в борьбе с пандемией COVID-19 — журнал «Передовые исследования в молекулярной биологии»
Сладкий секрет | Национальное географическое общество
Цикл Кальвина – это процесс, который используют растения и водоросли для превращения углекислого газа из воздуха в сахар, необходимый для роста пищевых автотрофов.
Все живое на Земле зависит от цикла Кальвина.
Растения зависят от цикла Кальвина для получения энергии и пищи. Другие организмы, в том числе травоядные, такие как олени, зависят от него косвенно. Травоядные животные зависят от растений как источника пищи. Даже организмы, которые поедают другие организмы, такие как тигры или акулы, зависят от цикла Кальвина. Без него у них не было бы еды, энергии и питательных веществ, необходимых для выживания.
На протяжении веков ученые знали, что растения могут превращать углекислый газ и воду в сахар (углеводы) с помощью энергии света — процесс, называемый фотосинтезом. Однако они не знали, как именно это было достигнуто.
Пятьдесят лет назад биохимик доктор Мелвин Кальвин выяснил процесс фотосинтеза в своей лаборатории Калифорнийского университета в Беркли, расположенной в Соединенных Штатах. Цикл Кальвина назван в честь доктора Кальвина.
В деревянном здании в кампусе Беркли под названием Старая радиационная лаборатория Кальвин выращивал зеленые водоросли. Зеленые водоросли — это водные организмы, использующие фотосинтез.
Кальвин поместил водоросли в приспособление , которое он назвал «леденец на палочке».
Кальвин осветил леденец и использовал радиоактивную форму углерода, называемую углеродом-14, чтобы проследить путь, который проходит углерод через хлоропласт водоросли, часть клетки, где происходит фотосинтез. С помощью этого метода он обнаружил, как растения производят сахар из углекислого газа.
Этапы цикла Кальвина
Цикл Кальвина состоит из четырех основных этапов. Энергия для подпитки химических реакций в этом процессе производства сахара обеспечивается АТФ и НАДФН, химическими соединениями, содержащими энергию, полученную растениями от солнечного света.
На первом этапе молекула углерода из диоксида углерода присоединяется к 5-углеродной молекуле, называемой рибулозобифосфатом (RuBP). Метод присоединения молекулы диоксида углерода к молекуле RuBP называется фиксацией углерода. Молекула из 6 атомов углерода, образованная при фиксации углерода, сразу же распадается на две молекулы из 3 атомов углерода, называемые 3-фосфоглицератом (3-PGA).
На втором этапе 3-PGA превращается в глицеральдегид-3-фосфат (G3P), химическое вещество, используемое для получения глюкозы и других сахаров. Создание G3P является конечной целью цикла Кальвина.
На третьем этапе некоторые молекулы G3P используются для создания сахара. Глюкоза, тип сахара, образующийся в результате фотосинтеза, состоит из двух молекул G3P.
На четвертом этапе молекулы G3P, которые остались, объединяются через сложную серию реакций в 5-углеродную молекулу RuBP, которая продолжит цикл обратно к первому этапу, чтобы захватить больше углерода из углекислого газа.
Лауреат Нобелевской премии
Кальвин опубликовал «Путь углерода в фотосинтезе» в 1919 г.57. Ключ к пониманию того, что происходит в хлоропластах, пришел к нему однажды, когда он «ждал в машине, пока моя жена была по делу», — сказал он.
Кальвин понял, что способ, которым растения превращают углекислый газ в сахар, не был простым. Вместо этого он работал по круговой схеме.
За открытие того, как растения превращают углекислый газ в сахар, Кальвин был удостоен Нобелевской премии по химии в 1961 году. Фотосинтез».
Кальвин получил Национальную медаль науки от президента Джорджа Буша-старшего в 1989 году. В 1992 году он опубликовал свою автобиографию Следуя по следам света . Он умер 8 января 1997 года в Беркли, Калифорния.
Понимание цикла Кальвина
Понимание того, как работает цикл Кальвина, важно для науки по нескольким причинам.
«Если вы знаете, как производить химическую или электрическую энергию из солнечной энергии, как это делают растения, – не используя тепловую машину, – это, безусловно, трюк», – сказал однажды Кальвин. «И я уверен, что мы сможем это сделать. Вопрос только в том, сколько времени потребуется, чтобы решить технический вопрос».
Исследования Мелвина Кальвина в области фотосинтеза пробудили интерес правительства США к развитию солнечной энергии как возобновляемого ресурса.
Сегодня Министерство энергетики США исследует возможности использования фотоэлектрических элементов, концентрированной солнечной энергии и солнечных водонагревателей. Фотогальванические элементы сделаны из полупроводников, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Фотоэлектрические элементы часто группируются вместе, образуя большие солнечные панели. Солнечные батареи могут помочь обеспечить электроэнергией дома и предприятия.
Концентрированная солнечная энергия фокусирует солнечное тепло для работы генераторов, производящих электричество. Солнечные водонагреватели обеспечивают горячую воду и отопление помещений для домов и предприятий.
Ученые также разрабатывают способы увеличения фиксации углерода, что является первым шагом в цикле Кальвина. Они делают это в основном за счет генетической модификации.
Увеличение фиксации углерода приводит к удалению из атмосферы избытка парниковых газов, в основном углерода. Парниковые газы способствуют глобальному потеплению.
Понимание фотосинтеза может также повысить урожайность многих растений.
«Наше понимание фотосинтеза и факторов, которые его усиливают, таких как продолжительность вегетационного периода и адекватный доступ растений к воде в почве, направляет нашу разработку многолетних версий зерновых культур», — говорит Джерри Гловер из Land Институт в Салине, штат Канзас, США
Многолетние растения возвращаются из года в год, в то время как однолетние растения живут только один сезон вегетации. Исследования Гловера показывают, что многолетние зерновые более экологичны, чем однолетние зерновые культуры. Они используют меньше воды и удобрений, а их более глубокая корневая система означает, что они лучше держатся за почву. Это приводит к меньшему стоку и, следовательно, меньшему загрязнению озер и ручьев.
Быстрый факт
Темная химия
Цикл Кальвина, важнейшую часть фотосинтеза, иногда называют циклом Кальвина-Бенсона, «независимыми от света реакциями» или «темновыми реакциями».
(«Темные реакции» вводят в заблуждение — цикл Кальвина зависит от света.)
Быстрый факт
Осе Нет! Осе Да!
Сахара обозначаются буквой или в конце названия. Глюкоза является наиболее распространенным сахаром, образующимся в процессе фотосинтеза. Другие сахара включают сахарозу и фруктозу.
Fast Fact
RuBisCO
В цикле Кальвина молекулы углекислого газа (CO2) прикрепляются к сахару с помощью фермента под названием RuBisCO. RuBisCO — это сокращение от рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилазы/оксигеназы. Это самый распространенный белок на Земле.
Статьи и профили
Nobelprize.org: Melvin CalvinScience Matters @ Berkeley: Melvin Calvin
Рабочие листы и раздаточные материалы
Министерство энергетики: История солнечной энергетики
Понимание того, как растения используют солнечный свет | MIT News
Растения полагаются на энергию солнечного света для производства необходимых им питательных веществ.
Но иногда они поглощают больше энергии, чем могут использовать, и этот избыток может повредить важные белки. Чтобы защитить себя, они преобразуют избыточную энергию в тепло и отдают ее обратно. При некоторых условиях они могут отклонять до 70 процентов всей поглощаемой ими солнечной энергии.
«Если бы растения не тратили так много солнечной энергии без необходимости, они могли бы производить больше биомассы», — говорит Габриэла С. Шлау-Коэн, доцент кафедры химии Cabot Career Development. Действительно, по оценкам ученых, водоросли могут выращивать на 30 процентов больше материала для использования в качестве биотоплива. Что еще более важно, мир может повысить урожайность — изменение, необходимое для предотвращения значительного разрыва между сельскохозяйственным производством и спросом на продовольствие, ожидаемого к 2050 году9.0003
Задача состояла в том, чтобы выяснить, как именно система фотозащиты растений работает на молекулярном уровне в течение первых 250 пикосекунд процесса фотосинтеза.
(Пикосекунда — это триллионная доля секунды.)
«Если бы мы могли понять, как поглощенная энергия преобразуется в тепло, мы могли бы перепрограммировать этот процесс, чтобы оптимизировать общее производство биомассы и сельскохозяйственных культур», — говорит Шлау-Коэн. «Мы могли бы управлять этим переключателем, чтобы растения меньше колебались при отключении защиты. Они все еще могут быть в некоторой степени защищены, и даже если несколько особей погибнет, производительность оставшейся популяции возрастет».
Первые этапы фотосинтеза
Важнейшими для первых этапов фотосинтеза являются белки, называемые светособирающими комплексами, или LHC. Когда солнечный свет падает на лист, каждый фотон (частица света) выделяет энергию, которая возбуждает БАК. Это возбуждение переходит от одного БАК к другому, пока не достигает так называемого реакционного центра, где оно запускает химические реакции, расщепляющие воду на газообразный кислород, который высвобождается, и положительно заряженные частицы, называемые протонами, которые остаются.
Протоны активируют производство фермента, который стимулирует образование богатых энергией углеводов, необходимых для подпитки метаболизма растения.
Но при ярком солнечном свете протоны могут образовываться быстрее, чем фермент может их использовать, и накопление протонов сигнализирует о том, что избыточная энергия поглощается и может повредить важные компоненты молекулярного механизма растения. Таким образом, у некоторых растений есть особый тип LHC, называемый светособирающим комплексом, связанным со стрессом, или LHCSR, чья работа заключается в вмешательстве. Если накопление протонов указывает на то, что собирается слишком много солнечного света, LHCSR щелкает выключателем, и часть энергии рассеивается в виде тепла.
Это очень эффективная форма солнцезащитного крема для растений, но LHCSR не хочет отключать эту настройку тушения. Когда ярко светит солнце, LHCSR включает тушение. Когда проплывающее облако или стая птиц загораживает солнце, оно может выключить его и поглотить весь доступный солнечный свет.
Но вместо этого LHCSR оставляет его включенным — на случай, если вдруг вернется солнце. В результате растения отказываются от большого количества энергии, которую они могли бы использовать для создания большего количества растительного материала.
Эволюционный успех
Много исследований было сосредоточено на механизме подавления, который регулирует поток энергии внутри листа, чтобы предотвратить повреждение. Оптимизированный за 3,5 миллиарда лет эволюции, его возможности впечатляют. Во-первых, он может работать с сильно меняющимися энергозатратами. За один день интенсивность солнечного излучения может увеличиваться и уменьшаться в 100 или даже в 1000 раз. И он может реагировать на изменения, которые происходят медленно во времени — скажем, на восходе солнца — и на те, которые происходят за считанные секунды, например, из-за пролетающего облака.
Исследователи сходятся во мнении, что ключом к гашению является пигмент внутри LHCSR, называемый каротиноидом, который может принимать две формы: виолаксантин (Vio) и зеаксантин (Zea).
Они заметили, что в образцах LHCSR преобладают молекулы Vio в условиях низкой освещенности и молекулы Zea в условиях высокой освещенности. Преобразование Vio в Zea изменит различные электронные свойства каротиноидов, что может объяснить активацию тушения. Однако этого не происходит достаточно быстро, чтобы реагировать на пролетающее облако. Этот тип быстрого изменения может быть прямым ответом на накопление протонов, что вызывает разницу в pH от одной области LHCSR к другой.
Экспериментальное выяснение этих механизмов фотозащиты оказалось трудным. Изучение поведения образцов, содержащих тысячи белков, не дает понимания поведения на молекулярном уровне, потому что различные механизмы тушения происходят одновременно и в разных временных масштабах, а в некоторых случаях так быстро, что их трудно или невозможно наблюдать экспериментально.
Тестирование поведения белков по одному
Шлау-Коэн и ее коллеги-химики из Массачусетского технологического института, постдоктор Тору Кондо и аспирант Вей Цзя Чен решили пойти другим путем.
Сосредоточившись на LHCSR, обнаруженном в зеленых водорослях и мхах, они исследовали, чем отличаются белки, связанные со стрессом, богатые Vio, и белки, богатые Zea, на свет — и они делали это по одному белку за раз.
По словам Шлау-Коэн, их подход стал возможен благодаря работе ее сотрудника Роберто Басси и его коллег Альберты Пиннолы и Луки Далл’Осто из Веронского университета в Италии. В более ранних исследованиях они выяснили, как очистить отдельные белки, которые, как известно, играют ключевую роль в гашении. Таким образом, они смогли предоставить образцы отдельных LHCSR, некоторые из которых были обогащены каротиноидами Vio, а некоторые — каротиноидами Zea.
Чтобы проверить реакцию на воздействие света, команда Шлау-Коэна использует лазер, чтобы направить пикосекундные световые импульсы на один LHCSR. Используя высокочувствительный микроскоп, они могут затем обнаружить флуоресценцию, испускаемую в ответ. Если LHCSR находится в режиме гашения, он будет превращать большую часть поступающей энергии в тепло и выбрасывать его.
Остается мало или вообще не остается энергии для повторного излучения в виде флуоресценции. Но если LHCSR находится в режиме подавления, весь входящий свет будет выходить в виде флуоресценции.
«Поэтому мы не измеряем тушение напрямую», — говорит Шлау-Коэн. «Мы используем снижение флуоресценции как признак тушения. Когда флуоресценция снижается, тушение увеличивается».
Используя эту технику, исследователи Массачусетского технологического института изучили два предполагаемых механизма тушения: превращение Vio в Zea и прямой ответ на высокую концентрацию протонов.
Чтобы рассмотреть первый механизм, они охарактеризовали реакцию LHCSR с высоким содержанием Vio и Zea на импульсный лазерный свет, используя две меры: интенсивность флуоресценции (на основе того, сколько фотонов они регистрируют за одну миллисекунду) и ее время жизни (на основе времени прибытия отдельных фотонов).
Используя измеренные интенсивности и время жизни ответов сотен отдельных белков LHCSR, они сгенерировали распределения вероятностей, показанные на рисунке выше.
В каждом случае красная область показывает наиболее вероятный результат, основанный на результатах всех одномолекулярных тестов. Исходы в желтой области менее вероятны, а в зеленой области — наименее вероятны.
На левом рисунке показана вероятность комбинаций интенсивность-время жизни в образцах Vio, представляющая поведение реакции гашения. Переход к Zea приводит к среднему рисунку, популяция переходит к более короткому сроку жизни, а также к состоянию гораздо более низкой интенсивности — результат, согласующийся с тем, что Zea является состоянием затухания.
Чтобы изучить влияние концентрации протонов, исследователи изменили pH своей системы. Только что описанные результаты были получены для отдельных белков, суспендированных в растворе с рН 7,5. В параллельных тестах исследователи суспендировали белки в кислом растворе с pH 5, таким образом, в присутствии большого количества протонов, воспроизводя условия, которые преобладали бы при ярком солнечном свете.
На правом рисунке показаны результаты для образцов Vio.
Переход от pH 7,5 к pH 5 приводит к значительному снижению интенсивности, как это было с образцами Zea, поэтому теперь включено гашение. Но это приводит к лишь немного более короткому сроку службы, а не к значительно более короткому сроку жизни, наблюдаемому у Zea.
Резкое снижение интенсивности при преобразовании Vio-в-Zea и снижении pH позволяет предположить, что и то, и другое является подавляющим поведением. Но разное влияние на время жизни предполагает, что механизмы тушения разные.
«Поскольку наиболее вероятный результат — красная область — движется в разных направлениях, мы знаем, что задействованы два разных процесса тушения», — говорит Шлау-Коэн.
Их расследование принесло еще одно интересное наблюдение. Результаты «интенсивность-время жизни» для Vio и Zea в двух средах с pH согласуются, если они получены с временными интервалами, охватывающими секунды или даже минуты в данном образце. Согласно Шлау-Коэну, единственное объяснение такой стабильности состоит в том, что ответы обусловлены различными структурами или конформациями белка.
«Было известно, что и рН, и переключение каротиноидов с виолаксантина на зеаксантин играют роль в гашении», — говорит она. «Но мы увидели, что работают два разных конформационных переключателя».
Основываясь на своих результатах, Шлау-Коэн предполагает, что LHCSR может иметь три различных конформации. Когда солнечный свет тусклый, он принимает конформацию, которая позволяет поступать всей доступной энергии. Если яркий солнечный свет внезапно возвращается, протоны быстро накапливаются и достигают критической концентрации, после чего LHCSR переключается в конформацию гашения — возможно, более жесткую. структура, позволяющая отбрасывать энергию по какому-то механизму, который еще полностью не изучен. И когда свет увеличивается медленно, протоны со временем накапливаются, активируя фермент, который, в свою очередь, накапливается, в результате чего каротиноид в LHCSR меняется с Vio на Zea — изменение как состава, так и структуры.
«Таким образом, первый механизм гашения срабатывает за несколько секунд, а второй работает в течение времени от минут до часов», — говорит Шлау-Коэн.
Вместе эти конформационные варианты объясняют замечательную систему контроля, которая позволяет растениям регулировать потребление энергии из источника, который постоянно меняется.
Изучение того, что будет дальше
Сейчас Шлау-Коэн обращает внимание на следующий важный этап фотосинтеза — быструю передачу энергии через сеть БАК к реакционному центру. Структура отдельных БАК оказывает большое влияние на то, как быстро энергия возбуждения может переходить от одного белка к другому. Поэтому некоторые исследователи изучают, как на структуру БАК могут влиять взаимодействия между белком и липидной мембраной, в которой он подвешен.
Однако в их экспериментах обычно используются белки образцов, смешанные с детергентом, и хотя детергент в некотором роде похож на природные липиды, его воздействие на белки может быть совершенно другим, говорит Шлау-Коэн. Поэтому она и ее коллеги разработали новую систему, которая суспендирует одиночные белки в липидах, больше похожих на те, что находятся в природных мембранах.