Солнечный луч
Шрифт:
Великий русский ученый К. А. Тимирязев первый понял и оценил значение зеленого пигмента растений — хлорофилла в развитии земной жизни, его роль посредника, космическую роль зеленого растения. Эту роль с равным успехом выполняют как микроскопические одноклеточные синезеленые водоросли — быть может, наиболее древние из существующих ныне живых существ, так и гиганты растительного царства — секвойи и эвкалипты, взметнувшие свои зеленые кроны на 100—120 м над поверхностью Земли.
Зеленая масса растений Земли поглощает и усваивает всего около 0,3% энергии излучения Солнца, падающей на земную поверхность. Но и этого количества энергии достаточно, чтобы обеспечить синтез гигантской массы органического вещества биосферы, чтобы радикально изменить условия, существовавшие на безжизненной Земле.
Одним из важнейших проявлений преобразующего влияния жизни (начавшегося на самой ее заре, с появлением хлорофилла) было изменение состава земной атмосферы. Древняя атмосфера Земли не содержала свободного кислорода.
Первые простейшие формы жизни, использовавшие запасы органических веществ, накопленные абиогенным путем в «первичном бульоне», не меняли заметным образом состава атмосферы. С началом процесса фотосинтеза обстановка изменилась коренным образом. Поглощенная зелеными тканями растения энергия Солнца шла теперь па расщепление молекул воды на атомы водорода и кислорода. Молекулярный кислород выделялся в атмосферу. За миллиарды лет существования зеленых растений этот процесс привел к радикальному изменению состава атмосферы Земли и условий, существующих на ее поверхности. Накопление благодаря жизнедеятельности растений органической массы, с одной стороны, и свободного молекулярного кислорода, с другой — создало условия для возникновения совершенно новых живых существ, второй великой ветви жизни — мира животных.
В организме животных (и человека в том числе) идут процессы окисления, по своей сути противоположные фотосинтезу. Углеводы, жиры и белки освобождают в теле животных скрытую энергию солнечного луча, когда-то пойманного и закованного в кандалы химических связей в «тюремных камерах» хлорофилловых зерен. Весь животный мир — постоянный потребитель огромных богатств, накапливаемых мириадами зеленых тружеников — растений.
Все люди на Земле (а их сейчас около четырех миллиардов), принимая пищу, ежегодно переваривают, используют и окисляют около 700 млн. т органических пищевых веществ; рассеивают, отдают окружающей среде около трех квадриллионов (3·1015) ккал тепла. Это количество тепловой энергии превышает годовую продукцию 350 электростанций, подобных Волжской ГЭС им. В. И. Ленина. А ведь потребляют солнечные «консервы» — органическую пищу — не только люди, но и весь гигантский животный мир. Однако постоянный расход органических соединений непрерывно возмещается в великом круговороте веществ и энергии благодаря процессу фотосинтеза, постоянной подзарядке жизненных батарей бесплатной энергией солнечного света.
В наше время зеленый покров Земли связывает и использует всего 0,3% падающего солнечного света. Однако в хороших условиях растения способны усваивать 5—10% энергии лучей Солнца, а в принципе возможно повышение «коэффициента полезного действия» растений и до 25—30%. Резервы и возможности земной жизни, следовательно, далеко еще не исчерпаны.
Пройдут годы. Человек будущего — гражданин коммунистического общества, высший продукт эволюции земной жизни и подлинный, рачительный хозяин земных богатств — найдет пути разумного использования океанских просторов и обширных пустынь, горных массивов и закованных во льды пространств Арктики и Антарктики для улавливания и использования энергии Солнца.
А когда станут реальностью далекие межпланетные и межзвездные экспедиции, он и на борту космического корабля создаст крохотный замкнутый мирок, в котором так же, как в большом земном мире, будет осуществляться круговорот веществ и энергии. Важнейшим и непременным звеном этой искусственной экологической системы, малой биосферы будут зеленые оранжереи. Зеленое растение войдет в просторы космоса как необходимый спутник человека, поставщик пищи и кислорода, заботливый санитар. Так, по мере развития и расцвета земной жизни изменяется, возрастает космическая роль растения, гениально понятая К. А. Тимирязевым.
Каков же этот великий и таинственный процесс, в ходе которого стремительный и неуловимый солнечный луч превращается в узника, и, гремя оковами — цепями углеродных атомов, приводит в движение гигантский маховик биосферы?
В самом общем виде фотосинтез, т. е. синтез при участии света, состоит в образовании из углекислоты воздуха и почвенной влаги сложных органических соединений углерода, кислорода и водорода. Благодаря использованию минеральных солей почвы в их состав включается также азот, фосфор, сера, железо, калий, натрий и другие элементы. В итоге возникают огромные молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров, служащие, в свою очередь, строительным материалом клеток, кирпичиками здания жизни.
Со времен К. А. Тимирязева (70—80-е годы прошлого столетия) и почти до середины XX в. ученые были убеждены, что солнечная энергия, уловленная хлорофиллом, расходуется на расщепление молекул углекислоты: кислород выделяется в атмосферу, а углерод идет на синтез органических веществ. Суммарная формула процесса изображалась таким образом:
6С0 2+ 6Н 20 -> С 6Н 120 6+ 60 2.
Формулу С 6Н 120 8имеют такие продукты фотосинтеза, как глюкоза, фруктоза и другие простейшие сахара. В них водород и кислород содержатся в том же соотношении 2 : 1, как в воде, поэтому эти вещества называют еще углеводами. Простейшие углеводы — моносахариды, теряя воду, могут образовывать более сложные соединения — дисахариды — сахарозу (тростниковый сахар), лактозу (молочный сахар), полисахариды — крахмал, целлюлозу и т. п. Применение метода меченых атомов внесло в эту схему существенную поправку. Оказалось, что сила, заключенная в солнечном луче, расходуется на разложение воды, а не двуокиси углерода, и что кислород атмосферы имеет, следовательно, не углекислотное, а водное происхождение. В уточненном виде основное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:
С0 2+ 2Н 20 + свет -> 0 2+ Н 20 + (СН 20) + 112 ккал.
Иными словами, в органических соединениях, синтезированных из одной грамм-молекулы углекислоты, запасается 112 ккал энергии.
Фотосинтез — сложный, многоступенчатый процесс, детали которого не полностью расшифрованы поныне. Состоит он из большого количества последовательных этапов, реакций. Реакции эти можно подразделить на два типа: одни осуществляются под непосредственным влиянием поглощенного света, другие — в темноте. Непременным участником световых, фотохимических реакций являются вещества, избирательно поглощающие излучение определенной длины волны. Если фотохимическая реакция активируется видимым светом, для ее осуществления нужно красящее вещество, пигмент. В реакциях фотосинтеза эту роль выполняет хлорофилл. Важная способность фотохимических реакций: их скорость практически не зависит от температуры среды, в которой они протекают. И это естественно: поглотив порцию солнечных лучей, хлорофилл не нуждается больше в притоке энергии, чтобы начать процесс фотосинтеза.
Реакции фотосинтеза, протекающие в темноте, называют темповыми, химическими (без приставки «фото»). Эти реакции регулируются и управляются белковыми катализаторами — ферментами. Каждая последующая реакция фотосинтеза для своего осуществления нуждается в присутствии специального фермента. Скорость темновых, как и всех вообще химических реакций, зависит от температуры и при ее повышении на 10° С возрастает в два-три раза.
Процесс фотосинтеза начинается с поглощения света хлорофиллом. Это замечательное вещество, к свойствам которого мы будем еще неоднократно возвращаться. По своему составу хлорофилл очень близок к тему — красящему веществу гемоглобина крови и переносчику кислорода. Структурной основой обоих служат порфирины — вещества, которые, как говорилось в предыдущем разделе, могут при определенных условиях образовываться абиогенно. Следовательно, фотосинтез на древней Земле мог явиться закономерным итогом естественного хода событий и, в свою очередь, открыл новую главу в эволюции земной жизни.
Активный центр хлорофилла (и тема) состоит из порфириновых группировок. Но если у гемоглобина в центре активной группы расположен атом железа, то в хлорофилле эту роль выполняет атом магния. Молекула хлорофилла в целом выполняет две функции: поглощает порцию солнечной энергии и затем передает ее строго по назначению. Функцию улавливания энергии света выполняют порфириновые кольца, тогда как атом магния выступает в качестве посредника и катализатора в фотохимической реакции разложения воды на атомы водорода и кислорода. Кислород уходит в атмосферу, а атомы водорода, снабженные при освобождении запасом энергии, постепенно расходуют ее, проходя лестницу темповых реакций.