Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Еще Лукреций вопрошал:
«Коль всему, что от старости в ветхость
приходит,
Время приносит конец, вещество истребляя,
Как и откуда тогда возрождает Венера
животных
Из роду в род?»
Щедрыми потоками изливает на Землю тепло и свет наше дневное светило. «Пойманный» растениями луч становится причиной удивительных метаморфоз. Из углекислого газа и воды, из минеральных веществ атмосферы и литосферы в хлорофилле зеленого листа синтезируются сложные органические соединения — углеводы, белки, жиры. Становясь пищей для животных, они рано или поздно возвращаются в лоно матери Земли. Возвращаются как продукты двух процессов. Во-первых, в виде отходов от переработки в живом организме. Во-вторых, в результате гниения умерших животных и растений. Таким образом, все сущее на нашей планете участвует в непрерывном круговороте химических веществ, входящих в состав воды, воздуха и верхнего слоя Земли. Этот грандиозный круговорот протекает внутри биосферы. (Так называется сферическая прослойка между земными недрами и космической бездной, заселенная живыми существами.)
Биосфера Земли — замкнутая саморегулирующаяся система, где непрерывно поддерживается биологическое равновесие. Вещества становятся частью существ. Существа выделяют вещества. А после смерти и сами превращаются в вещества.
Нормальный взрослый организм обычно не худеет и не прибавляет в весе. А ведь в сутки он поглощает килограммы вещества в виде еды и напитков! Значит, столько же веществ выводится из организма.
Из пищи мы заимствуем не вещество, а энергию. И если количество вещества в биосфере остается постоянным, то откуда же берется огромное количество энергии для бесчисленных химических превращений?
Солнечный луч — вот что вращает гигантский маховик круговорота химических веществ в биосфере.
Валерий Брумель упруго подбрасывает свое тело и легко переносит его через планку, установленную на двухметровой отметке.
Василий Смыслов в полной неподвижности сосредоточенно продумывает очередную шахматную комбинацию.
Иннокентий Смоктуновский произносит монолог Гамлета, создавая полную иллюзию собственного душевного надлома.
Любое напряжение мышц или мозга, любые физические, умственные или эмоциональные усилия требуют затраты энергии.
И вы, дорогой читатель, пробегая глазами мелкий бисер типографских литер на этой странице, тоже расходуете энергию.
Откуда же она берется? Странный вопрос: ну, разумеется, от сгорания пищи в организме! Не с неба же в конце концов. А в пище откуда?
Если вы вегетарианец, то с неба, и только с неба. Нет, серьезно. Ведь энергетический цикл жизни начинается именно с того момента, когда солнечный зайчик упадет на зеленый лист!
Лишь представители зеленого царства флоры способны «консервировать» энергию фотонов, превращая ее затем в биохимическое топливо для всевозможных энергетических процессов в теле животных. И даже самый плотоядный хищник, который презирает вегетарианскую диету, пожирая очередную жертву, в конечном счете пользуется именно энергией Солнца, запасенной в растительных тканях и перекочевавшей в организм травоядных животных.
Вот фотон, посланный далеким светилом, угодил в органическую молекулу зеленого листа. Это молекула зеленого красителя — хлорофилла. Один из электронов валентной пары тотчас возбуждается, подпрыгивая на более высокую ступеньку — точь-в-точь как в полупроводнике. Рано или поздно он, конечно, вернется в свое прежнее состояние, но долгим и сложным будет его обратный путь. И кто бы мог подумать, что все богатейшее разнообразие жизненных проявлений укладывается в эту простенькую схему: стрелка вверх — переход из основного состояния в возбужденное; стрелка вниз — возвращение восвояси. Конечно, за второй стрелкой таится целая эпопея электрона и кванта, перед красочностью и драматизмом которой тускнеют странствия самого Одиссея.
Самое удивительное: хлорофилл работает как полупроводник.
Когда электрон перескакивает в зону проводимости, на ступеньке, где он сидел, остается пустое место. Но это не просто «дырка от бублика». Отсутствие электрона эквивалентно появлению единичного положительного заряда. Поэтому «дырка» притягивает к себе электрон, как бы зовет его обратно. Но, вознесенный квантом света в зону проводимости, он и не думает возвращаться обратно.
Такое состояние очень неустойчиво. Обычно оно продолжается лишь миллионные доли секунды. Затем энергия электронного возбуждения переходит в другие формы. Например, в тепловую: начинают вибрировать валентные связи-пружинки, атомы одной молекулы соударяются с атомами соседней. Вещество разогревается.
Конечно, это не единственный вариант. Электрон может упасть на прежний энергетический уровень, заполнив своей персоной «дырку» и высветив квант энергии. Такое падение проявит себя в виде флуоресцентного свечения. И тогда хлорофилл просто-напросто возвратит «ссуду», выданную ему Солнцем, так и не пустив ее в оборот. Нас же интересует другой случай: каким путем кипучая энергия электрона преобразуется в энергию биохимического «топлива»?
Известно, что при фотосинтезе зеленый лист вырабатывает углеводы, усваивая углекислый газ и выделяя кислород. Реакция протекает с поглощением энергии: СО2 + H2O + 112 ккал = (CH2О) + O2. Энергия солнечного луча переходит в энергию валентных связей. И легко высвобождается при обратном процессе: (CH2O) + O2 = СО2 + H2O + 112 ккал. Например, при сгорании глюкозы в нашем организме (глюкоза может гореть и в пробирке). И это естественно: полная энергия системы понижается. Зато обратить вспять ход процесса, заставить углекислоту и воду превратиться в углевод несравненно труднее. Здесь химику не обойтись без катализаторов, повышенных давлений и температур. А зеленый лист проделывает эту операцию легко и просто.
Молекула хлорофилла состоит из двух частей. Первая — остаток спирта фитола — представляет собой линейную углеводородную цепочку. Вторая и самая главная — так называемое большое порфириновое кольцо. Оно, в свою очередь, составлено из малых циклов — пятичленных, с атомами азота, обращенными внутрь и охватывающими центральный атом магния. Перед нами замкнутая система сопряженных связей. По этой кольцевой трассе и начинает свой вояж возбужденный электрон. Такой циркулирующий ток не связан с энергетическими потерями. Молекула переходит в метастабильное состояние. Оно более устойчиво, чем обычное возбужденное, и может сохраняться в течение отрезка времени, который в миллионы раз длиннее.
А что же будет потом — по истечении этих нескольких десятитысячных долей секунды?
Энергия фотохимической активации перекочевывает вместе с электроном на соседнюю молекулу. Да, на соседнюю, как это ни удивительно. Налицо межмолекулярный перенос заряда — тот самый, механизм которого так интересует инженеров — творцов органических полупроводников.
Сколько патентов хранится в сейфах живой природы! Действительно: природа — богатейший политехнический музей.
Чтобы углекислота CO2 превратилась в глюкозу, ей нужен водород. И энергия! Поставщиком того и другого служит трифосфопиридиннуклеотид ТПН. Чтобы
