Репортаж из XXI века
Шрифт:
Свет кажется нам непрерывным потоком, а на самом деле луч света идет последовательными порциями.
Есть у растений одна, видимо, очень существенная, но до сих пор не объясненная особенность: листья их содержат гораздо больше хлорофилла, чем, казалось бы, необходимо для фотосинтеза. Чтобы образовать одну молекулу органического вещества, продукта фотосинтеза из одной молекулы углекислого газа, достаточно энергии всего трех-четырех фотонов. А листья в полевых посевах на каждую молекулу поглощают нередко в 30–40 раз большее количество энергии. За это растению приходится расплачиваться усиленным испарением воды из листьев. Но даже в тех районах, где мало воды, растения
И почему, даже если дать ему больше пищи и воды, в ответ растение прежде всего увеличивает содержание хлорофилла в листьях, хотя света кругом — в избытке, а доля усваиваемого света все так же мала?
Как же объяснить эти особенности растения?
Точных ответов на эти вопросы пока не дал никто.
Благодаря этому в полевых посевах растения связывают в продукты фотосинтеза в среднем всего 1/100 или 1/200 часть энергии, получаемой от Солнца. К. А. Тимирязев считал, что «человеку предстоит или усовершенствовать в этом отношении растение или изобрести взамен его искусственный прибор, который утилизировал бы больший процент получаемой энергии и притом работал бы круглый год. Насколько успеет он на этом пути — вопрос будущего».
Но усовершенствовать растение нельзя, не разобравшись в его внутреннем механизме. Давайте возьмем с вами углекислый газ и воду (то есть обычную пищу растения) и постараемся разделить эти вещества на простые составные части. Растение это делает за доли секунды, легко и просто, а нам придется нагреть газ и воду до сотен градусов. Причем как только температура и давление снизятся, снова образуется углекислый газ и вода. Это похоже на пружину: пока ее держишь, она растянута. Отпустил — сжимается.
Но почему же растение безо всяких давлений и температур не только разлагает углекислоту и воду, но и надежно разъединяет их? Как удается растению разъединить кислород и водород, которые имеют высокое сродство друг к другу и всегда стремятся соединиться между собой? Почему здесь энергетическая «пружина» остается взведенной? Эта «пружина» будет спущена, отдаст свою энергию только тогда, когда растение или будет сожжено, или станет кормом для животного.
Академик А. Н. Теренин и профессор А. Н. Красновский, исследуя хлорофилл, вскрыли интересные особенности фотохимической стадии и показали, как хлорофилл под ударами фотонов света становится своеобразным электронным насосом. В присутствии катализаторов под действием света молекула хлорофилла возбуждается и приобретает «жадность» к электрону, отнимает его у молекулы воды. Электрон передается «с рук на руки» веществам-переносчикам, пока, наконец, не доберется до углекислоты. Так же через хлорофилловую молекулу передается и ядро атома водорода. Водород вытесняет часть кислорода из углекислоты и становится на его место. «Пружина» взведена.
Обычно сгорание органического вещества идет по уравнению: СН2О + О2 = CO2 + Н2О +112 килокалорий. А в зеленом листе под солнцем эта же реакция идет в обратном направлении. Взятые растением у солнца 112 килокалорий — это и есть та сила, которая помогает реакции идти как бы против течения. Но дело не только в этом. Есть в листе что-то такое, что не дает реакции «скатываться» обратно, вспять. Это «что-то» кроется в замечательной структурной организации фотосинтетического аппарата растений, и прежде всего в тех круглых дискообразных зеленых тельцах в клетках листьев, которые Тимирязев называл в свое время хлорофилловыми зернами. Они образуют определенные структурные системы — хлоропласты.
Фотохимическая активность и совершенство хлоропласта зависят не только от его состава и обилия ферментов. Для точно направленной работы, для соединения нужных веществ растение за миллионы лет создало определенную структуру хлоропластов. Пока ясны далеко не все детали процессов, которые совершаются, происходят в хлоропласте. Во всяком случае, объемная пространственная структура хлоропласта, действующего, может быть, наподобие полупроводника, помогает реакции двигаться «против течения», как по ступенькам, поднимая вещества на более высокий энергетический уровень и сводя их в новые соединения.
Хлоропласты работают интенсивней многих химических заводов. За день работы они создают столько же органических веществ, сколько их содержится в них самих.
Убедиться в том, как важна для растения внутренняя структура листа, может каждый. Не отрывая листик от цветка, прокатайте слегка лист на столе стеклянной палочкой: клетки его останутся живы, дыхание сохранится, будут идти даже некоторые биохимические реакции, а способность к фотосинтезу будет сразу утрачена.
Хлоропласт и его структура — одна из еще не решенных полностью проблем биологии. Подобных «белых пятен» вокруг нас миллионы. И до каждого из них в конце концов доберется пытливый человеческий ум.
А когда мы полностью будем знать особенности структурной организации хлоропластов, особенности фотохимических и ферментных реакций фотосинтеза, особенности взаимодействия хлоропластов с живой протоплазмой клеток, а листьев, как органов фотосинтеза, — с растением, как единым, целым организмом, Мы получим в руки сильнейшие рычаги овладения силами природы. Применяя их для невиданного еще повышения урожайности растений, для воспроизведения фотосинтеза в искусственных условиях, для организации новых отраслей химической технологии, мы будем получать разнообразные и ценнейшие продукты и материалы из повсеместно распространенного сырья — углекислого газа, карбонатов, воды, азота воздуха и на неограниченной энергетической базе, то есть используя неиссякаемые потоки энергии солнечной радиации.
Заканчивая нашу беседу, — сказал профессор А. А. Ничипорович, — я напомню вам слова академика Сергея Ивановича Вавилова.
«Весьма возможно, — говорил он, — что сложность фотосинтеза зависит не только от запутанного переплетения физико-химических областей, уже известных. Возможно, что они заключают в себе также и новые стороны, до сих пор даже с принципиальной стороны оставшиеся скрытыми от общих наук».
Значит, молодым биологам, — сказал профессор А. А. Ничипорович, — надо смелее вторгаться в тайны зеленого листа, в секреты фотосинтеза. Их ждут, я убежден, большие романтические открытия.
Проблема фотосинтеза — это одно из «белых пятен» науки. Решив ее, мы сможем регулировать урожайность растений, навсегда уничтожим угрозу голода на земле. Конечно, мы должны прежде всего использовать и совершенствовать высокопродуктивные сельскохозяйственные растения. Но не ограничивать свое зрение только ими. Загадка эта требует более широкого научного подхода, и решение может прийти с совершенно неожиданной стороны. Еще раз советую обратить внимание на водоросли.
Да, мы пока совершенно их не используем в пищу. Но разве имеет право биолог забывать, что водоросли — одна из первых ступенек, пройденных живыми существами в ходе всей эволюции? У водорослей многие процессы идут проще, чем у высших растений. Тем лучше для исследователя! Тем ближе мы к разгадке самой поэтичной тайны природы.