Красный край, или красный барьер фотосинтеза — что это?

Красный край, или красный барьер фотосинтеза, — это фундаментальное ограничение, связанное с тем, какую часть светового спектра живые организмы способны использовать для фотосинтеза. Суть этого явления заключается в том, что при длинах волн длиннее примерно 680–700 нанометров энергия фотона становится слишком низкой, чтобы поддерживать ключевые фотохимические реакции, лежащие в основе кислородного фотосинтеза. Хотя такой свет может поглощаться пигментами, он уже не способен эффективно запускать перенос электронов и расщепление воды, без которых образование химической энергии невозможно.

Энергетическая природа красного края напрямую связана с квантовой физикой: чем длиннее длина волны, тем меньше энергия фотона. Фотосистема II, отвечающая за фотолиз воды и выделение кислорода, имеет максимум поглощения около 680 нанометров, а фотосистема I — около 700 нанометров. Именно эти значения отражены в обозначениях P680 и P700. За пределами этого диапазона фотосистема II перестает работать, а значит, прекращается и полноценный кислородный фотосинтез. Поэтому инфракрасная часть солнечного излучения для растений почти бесполезна и в основном переходит в тепло.

При длинах волн больше примерно 680–700 нм энергия фотона становится недостаточной, чтобы:

• инициировать перенос электронов,
• расщеплять воду (фотолиз),
• поддерживать работу фотосистемы II — самой «энергоемкой» части фотосинтеза.

Красный край называют барьером не потому, что поглощение света резко прекращается, а потому, что резко падает эффективность преобразования энергии. Свет в дальнем красном и ближнем инфракрасном диапазоне может взаимодействовать с пигментами, но не обеспечивает нужного энергетического «запаса» для химических реакций. Это ограничение не является строго абсолютным, но оно очень жесткое и определяется фундаментальными законами физики, а не только биохимией конкретных организмов.

Существуют и исключения, которые показывают, что красный край можно немного сдвинуть. Некоторые цианобактерии используют модифицированные формы хлорофилла, такие как хлорофилл d и f, и способны осуществлять фотосинтез при длинах волн до 720–740 нанометров. Тем не менее даже в этих случаях существует предел, за которым энергия фотона становится слишком малой, и фотосинтез теряет смысл. Таким образом, красный край можно расширить, но нельзя принципиально отменить.

Важно отличать красный край фотосинтеза от так называемого вегетационного красного края. Первый — это физико-биологический предел, определяющий, какие фотоны вообще способны обеспечивать фотохимические реакции в живых системах. Второй — это оптический эффект, наблюдаемый в спектре отражения растительности. В районе около 700 нанометров листья резко переходят от сильного поглощения в видимом красном свете к сильному отражению в ближнем инфракрасном диапазоне. Этот скачок связан не с фотосинтезом как таковым, а со структурой листа: растения отражают инфракрасный свет, чтобы избежать перегрева и повреждения тканей.

Таким образом, красный край фотосинтеза отвечает на вопрос, какой свет может быть использован для получения энергии, а вегетационный красный край описывает, как растительность отражает свет. Эти два понятия связаны по положению в спектре, но имеют разную природу и разные научные применения. В частности, вегетационный красный край активно используется в дистанционном зондировании Земли и в астробиологии как возможная биосигнатура растительной жизни на других планетах, тогда как красный барьер фотосинтеза отражает фундаментальные ограничения самой биохимии жизни.