«Похищенные лучи», или
фотосинтез растений (часть 2)
Ведется работа, связанная с практическим
применением фотосинтеза
для получения ценнейшего искусственного топлива - водорода. В нашей
стране подготовлена программа "Фотоводород". В США этой проблемой
занимается лауреат Нобелевской премии М. Кальвин, много сделавший для
открытия реакций темновой фазы фотосинтеза. Ученые из разных стран мира
работают над созданием искусственных мембран хлоропласта с
неограниченным временем действия. Очень заманчива идея использовать солнечную энергию для
расщепления воды на кислород и водород.
Водород удобен в обращении. Его можно запасать в большом количестве,
транспортировать по трубам, расходовать как топливо. Сгорая, водород
выделяет тепла в три раза больше, чем бензин, и при этом не загрязняет
воздух.
Понятно, как важен на практике фотосинтез. Темновая реакция фотосинтеза
не зависит от света. Углекислый газ проникает через устьичные щели или
через кутикулу листьев в межклетники, затем внутрь клеток и, наконец, в
хлоропласты. Углекислый газ связывается переносчиком, определенным
углеводом. Затем он восстанавливается с помощью водорода, полученного
при световой реакции. В результате образуется молекула углевода -
глюкоза С6Нl2О6
и после нескольких превращений вновь образуется группа
веществ - переносчиков СО2. Энергия при
восстановлении СО2 переходит в
энергию химических связей возникающего углевода.
Половина солнечного спектра ничего не дает растениям, поглощающим лучи
лишь определенной длины полны. К. А. Тимирязев установил, что
максимальное усвоение листом СО2 совпадает с
максимумом поглощения
света хлорофиллом в красной и синей областях спектра. Красные лучи
солнечного спектра самые выгодные для фотосинтеза. Каждая калория этих
лучей несет в 1,5 раза больше квантов света, чем калория синих лучей.
Интересно, что наиболее эффективная для фотосинтеза область солнечного
спектра совпадает с областью, которая лучше всего воспринимается глазом
животных. Еще одна загадка эволюции или доказательство единства всех
живых существ?
Поток солнечной радиации огромен и несет большое количество энергии.
Если бы она целиком использовалась при фотосинтезе, то на гектаре
посевов в течение суток могло бы образовываться около 10 тонн
органических веществ. Но из-за отражения от облаков, рассеивания и
поглощения ее облаками и пылью растения получают всего 1,5-2 процента
солнечной радиации. При этом основная часть лучей поглощается листом,
остальная отражается и проходит через него.
Коэффициент полезного действия фотосинтеза невелик даже при
благоприятных условиях. Из всей поглощенной листом солнечной радиации в
среднем только 3 - 5 процентов идет на фотосинтез и другие
физиологические процессы. Остальная, большая, часть радиации
расходуется на теплопередачу и испарение воды. Вот почему К. А.
Тимирязев назвал лучи, участвующие в фотосинтезе, "похищенными лучами
солнца".
Что же ограничивает фотосинтез?
Есть правило: интенсивность фотосинтеза возрастает при увеличении
именно того фактора, который находится в минимуме. Содержание
хлорофилла в листьях, когда его мало, ограничивает фотосинтез. Однако
фактически хлорофилла здесь больше, чем нужно. Но чаще всего в поле,
особенно при густых посадках, лимитирующим фактором для растения
является содержание СО2. В середине дня воздух
застаивается благодаря
фотосинтезу над поверхностью листа. Таким образом снижаются содержание
СО2 и интенсивность фотосинтеза.
При благоприятных условиях зеленая клетка
растения за день образует
столько углеводов, что они не перерабатываются и не оттекают из клетки
полностью. Поэтому некоторая часть их не включается в обмен веществ, а
превращается в хлоропластах в мельчайшие зерна крахмала. Ночью крахмал
опять растворяется в сахар и перемещается туда, где он больше всего
нужен. В запасающих органах некоторых растений - корнях,
клубнях, семенах, сердцевине стебля - крахмал откладывается в виде
крупных зерен.
Крахмал - один из основных источников пищи. Ради него люди
тысячелетиями выращивают растения. Например, у сахарной
свеклы и
сахарного тростника в запас откладывается сахароза - соединение,
образованное фруктозой и глюкозой.
Зеленые клетки могут использовать многие промежуточные продукты
темновой фазы фотосинтеза для синтеза белков и жиров. Кроме того, на
основе фотосинтеза образуется множество красящих, пахучих, дубильных
веществ, каучук, а также витамины, алкалоиды, используемые для
приготовления лекарств. Эти вещества называются вторичными -
производными от первично синтезированных углеводов. От фотосинтеза в
определенной мере зависит урожай сельскохозяйственных растений. На
большей части материков нашей планеты недостаток воды и плодородия
почвы ограничивает продуктивность сельскохозяйственных
растений.
Поэтому сегодня повысить урожайность можно отбором лучших семян и
воздействием на растение через почву - улучшением ее обработки,
обеспечением водой и минеральными удобрениями. Эти мероприятия создают
наиболее благоприятные условия для фотосинтеза, повышают коэффициент
использования растением солнечной энергии, который в большинстве
случаев низок и не превышает 0,5-1 процента.
Уже сейчас в экспериментальных условиях кпд фотосинтеза удается
повысить в 10 раз, что дает возможность за год получать по два-три урожая пшеницы и даже шесть урожаев
томатов. В своей замечательной
книге "Жизнь растений" К. А. Тимирязев писал о фотосинтезе, что это
величественный и далеко еще не разгаданный процесс превращения
солнечного луча в ту химическую силу, которая служит источником всякого
про явления жизни на нашей планете.
