О каком известном природном процессе идет речь (1 балл)? Какая часть этого процесса описана в задаче (1 балл)? Поясните все происходящие события и назовите природные аналоги участвующих героев (4 балла). Приведите примеры возможного использования описанного процесса в нанотехнологиях (4 балла).

Ответ: В задаче речь идет о фотосинтезе зеленых растений, а именно о фотосинтетическом переносе электронов по фотосинтетической электрон-транспортной цепи от воды до реакционного центра фотосистемы 1. Наш герой Петя представляет собой электрон. Другие мальчики, которые встречаются ему на пути - тоже электроны. Лодка, на которую попал Петя, – это атом кислорода. Два мальчика (два электрона) вместе с кепками (два протона) и лодкой составляют молекулу воды (2Н⁺ + 2е + О = Н₂О) в хлоропластах. Крытая пристань – это марганцевый кластер кислород выделяющего комплекса (КВК), в котором две молекулы воды разлагаются на 4 электрона (4 мальчика из двух лодок), 4 протона (4 кепки) и молекулу О₂ (две лодки соединяются вместе). 4 работника пристани обозначают 4 атома марганца в КВК. Вагончик обозначает редокс-активный остаток тирозина КВК, который участвует в переносе электронов от КВК к первичному донору Р680, молекуле хлорофилла реакционного центра фотосистемы 2 (остановка вагончика у подножья горы). Соединенные вместе лодки, вылетевшие из пристани, – это молекулярный кислород О₂, побочный продукт фотолиза воды, который выделяется в окружающую среду.

Синие и красные вспышки света, осветившие кабину Пети, символизируют соответствующие области солнечного спектра, где находятся максимумы поглощения хлорофилла. За счет энергии света электрон переходит в возбужденное энергетическое состояние (Петя оказывается на вершине горы). Сильный ветер и скользкая гора обозначают нестабильность возбужденного состояния электрона, а падение с горы символизирует один из путей дезактивации возбуждения – излучение в виде флуоресценции. Независимо от длины волны возбуждающего света, высвечивание квантов флуоресценции всегда происходит с самого нижнего колебательного подуровня возбужденного синглетного состояния. Поэтому флуоресценция имеет красный цвет (красная вспышка, которую увидел Петя при падении мальчика с горы).

Спасатель – это феофитин, промежуточный акцептор электронов. Домик, куда он проводил нашего героя – это пластохинон Q_А – первичный хинонный одноэлектронный акцептор. Гараж, в котором находится двухместный снегоход – это вторичный хинонный акцептор Q_В (двухэлектронный акцептор). Q_А и Q_В являются связанными хинонами, поэтому они представлены в виде неподвижных строений. В отличие от этого, пластохинон PQ (снегоход), получающий от Q_В два электрона (Петя и второй мальчик) и переносящий 2 протона (2 кепки), является подвижным переносчиком (PQH₂). Пластохинон PQH₂ обеспечивает транспорт электронов от ФС2 к цитохромному b₆f комплексу (горнолыжный парк). Дважды восстановленный и протонированный пластохинон PQH₂ передает один электрон гему цитохрома f (горнолыжная трасса, выбранная Петей), а второй электрон – на гем низкопотенциального цитохрома b_6L (саночная трасса). При этом оба протона выделяются во внутритилакоидное пространство (обе кепки улетают с голов ребят). Цитохром f восстанавливает пластоцианин, медь-содержащий водорастворимый белок (медный конь). Этот подвижный одноэлектронный переносчик доставляет электрон к реакционному центру фотосистемы 1 (станция у подножья второй горы). В задаче не упоминается о дальнейших приключениях мальчика, который выбрал санки, но следует отметить, что этот электрон, восстановивший гем низкопотенциального цитохрома b_6L, переносится на высокопотенциальный гем b_6H и используется в цикле восстановления молекулы окисленного пластохинона.

Знание особенностей структурной и функциональной организации фотосинтетического аппарата является основой для создания систем, которые могут быть использованы в различных областях нанотехнологии. Например, фотосинтетические пигмент-белковые комплексы (реакционные центры бактерий и высших растений) используются в качестве рецепторного элемента для создания высокочувствительных биосенсоров, детектирующих загрязнение окружающей среды выхлопными газами, гербицидами и тяжелыми металлами. Также, фотосинтетические пигмент-белковые комплексы могут быть использованы для производства водородного топлива и очистки атмосферы от парниковых газов с помощью искусственного фотосинтеза (artificial photosynthesis). В этом случае в качестве светособирающих комплексов (ССК) для фотосинтетических реакционных центров можно использовать квантовые точки, которые в силу своих необычных свойств поглощают свет значительно эффективнее природных ССК.