Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
В хлоропластах молекулы хлорофилла объединены в ячейки (примерно по 300 молекул в каждой) вместе с другими пигментами, назначение которых — собирать свет и передавать его энергию на реакционный центр ячейки. Структура этого центра пока точно не установлена, но предполагают, что он представляет собой пару молекул хлорофилла a, специальным образом сцепленную с молекулами пигмента, которая поглощает красный свет с длиной волны около 700 нм. Энергия этих квантов (1,8 эВ) достаточна, чтобы оторвать электрон от хлорофилла а и передать его по цепочке промежуточных соединений к месту объединения углерода молекулы СО2 с протонами разрушенной молекулы Н2О. За секунду реакционный центр (его называют центром P700) может «переработать» до 50 квантов света, то есть обеспечить синтез 1 молекулы глюкозы и выделение 6 молекул кислорода.
В действительности существует два типа реакционных центров: фотосистема I и фотосистема II. В фотосистеме I (реакционный центр P700) при отщеплении электрона от хлорофилла а происходит синтез промежуточных нестойких соединений, в которых запасается поглощенная хлорофиллом а энергия квантов. (Среди этих соединений особо следует отметить довольно сложное соединение аденозинтрифосфат (АТР) с формулой C10H16O13N5P3, которое является универсальным аккумулятором энергии во всех живых организмах.)
Фотосистема II включает в себя реакционный центр Р680, который поглощает красные лучи с длиной волны λ = 680 нм и использует их энергию для отрыва электронов от некоторой системы S, которая предположительно является белковым комплексом, содержащим атом марганца (Mn). Отдавая последовательно 4 электрона, он становится катализатором, в присутствии которого молекулы воды расщепляются на водород и кислород.
Обе стадии фотосинтеза — образование АТР и расщепление Н2О—очень быстрые (10-9 с) и происходят только на свету. После них следует довольно длительная (0,05 с) стадия, не требующая света. Она включает около 20 реакций (так называемый цикл Кальвина), в которых протоны, используя энергию, накопленную в АТР, через цепочку промежуточных комплексов присоединяются к углероду углекислого газа и образуют с ним структурную единицу СН2О любой древесины. Эту стадию удалось изучить довольно подробно сравнительно недавно, в 1946—1951 гг., с помощью изотопа 14С в лаборатории Мелвина Кальвина (Нобелевская премия 1961 г.). А двустадийность процесса фотосинтеза доказана только в 1958 г.
Изучение фотосинтеза продолжается: усложняются решаемые задачи, изощреннее становится методика исследований и быстро растет объем накопленных фактов. Но как и тысячелетия назад, с восходом солнца растения продолжают свою молчаливую каждодневную работу: улавливают солнечный свет и консервируют его впрок. Так было не всегда: фотосинтез возник на Земле в процессе эволюции растений сравнительно недавно — около миллиарда лет назад, когда кислорода в атмосфере было менее процента и почти вся она состояла из азота и углекислого газа. Это был решающий поворот эволюции, изменивший лицо Земли: простейшие сине-зеленые водоросли начали перерабатывать углекислоту в кислород, над планетой образовался озоновый слой, который и сейчас охраняет всё живое от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей, жизнь под его защитой вышла из океанов на сушу, возникли животные и человек, которые теперь возвращают растениям свой долг, снабжая их углекислотой.
За час 1 м2 листьев усваивает 6—8 г (3—4 л) СО2 из воздуха и выделяет такой же объем кислорода. Человек потребляет около 500 л кислорода в сутки (продукция трех взрослых деревьев) и такой же объем углекислого газа возвращает растениям. Весь углекислый газ атмосферы проходит через растения за 300 лет, а весь кислород через животных — за 2000 лет.
Красный свет, используемый в процессе фотосинтеза, составляет всего 2 % от общего потока излучения Солнца и только 30 % из этой части, то есть около 0,5 % общего потока,
усваивается растениями. (Это число впервые измерил в 1860 г. отец Анри Беккереля Эгмон Беккерель.) Это немного, но эта узкая тропа — единственный путь, связывающий царство неживой материи с миром живых существ, по которому энергия термоядерных топок Солнца, непрерывно дробясь, достигает нервных клеток мозга человека, способного понять и оценить весь этот непостижимый замысел Природы и его постигаемое воплощение.
Жизнь под Солнцем
Поклонение Солнцу — самая древняя из религий и, если позволительно так говорить о вере, самая понятная из них. «Солнце... является неисчерпаемым источником физической силы... та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей»,— писал Роберт Майер в 1845 г.
Радиус Земли R3=6350 км, поэтому с Солнца, на расстоянии 150 млн. км, она видна как копеечная монета с расстояния в сотню метров. Из 4,2 млн. т фотонов, излучаемых Солнцем каждую секунду, на нее попадает только 0,45∙10-9 часть, то есть половина миллиардной доли излучаемой энергии Солнца, а именно
(4,2∙106 т)∙(0,45∙10-9)= 1,85∙10-3 т =1,85 кг.
В холодной пустыне космоса именно эти два без малого килограмма фотонов в секунду сохраняют оазис нашей планеты теплым и зеленым. Благодаря им текут реки, дуют ветры, шумят леса и жив человек.
2 кг фотонов — не так уж мало: по формуле Эйнштейна Е=тс2 в них заключена энергия
Е=(1,85∙103г)∙(3∙1010см/с)2=1,7∙1024 эрг=1,7∙1017Дж,
то есть мощность солнечного излучения, падающего на Землю, равна 1,7∙1017 Вт — почти в 20 тысяч раз больше, чем мощность всей энергетики мира (1013 Вт). Примерно половина этой мощности (0,8∙1017 Вт) достигает земной поверхности, площадь которой равна 4πR32=5·1014 м2, то есть средняя интенсивность излучения Солнца на уровне Земли равна 160 Вт/м2.
Подавляющая часть этой мощности (99,9 %) поглощается почвой, расходуется на испарение воды, на ветры, грозы и все то, что мы называем погодой. И только 0,1 % лучистой энергии Солнца (1014 Вт) накопляется растениями в процессе фотосинтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Именно этой долей энергии питается все живое на Земле: от бактерий до животных и человека, поскольку сущность жизни в своей первооснове — это обратный фотосинтезу процесс разложения органических веществ на углекислый газ и воду.
Первичная мощность фотосинтеза 1014 Вт, или 1011 т сухого органического вещества в год,— это все, на что может рассчитывать человек в своих долгосрочных планах и прогнозах. Эта мощность не может быть существенно увеличена, поскольку для процесса фотосинтеза нужна пресная вода, а уже сейчас 60 %
