Жизнь и ее проявления - [3]

Большое внимание уделил К. А. Тимирязев изучению хлорофилла. По своим химическим свойствам он сходен с гемоглобином крови человека и других высших животных. Но в молекуле гемоглобина содержится железо, а в молекуле хлорофилла — магний.

В наши дни известно не только сложное строение хлорофилла, но и произведен его искусственный синтез. Установлено также, что хлорофилл, взятый сам по себе, не способен к фотосинтезу. Этот процесс может протекать только в живой клетке листа и других зеленых частей растений.

Фотосинтез — процесс очень сложный и многоступенчатый. Его изучению посвящено огромное количество работ ученых разных стран мира. И только в последние годы с появлением биоэнергетики — науки, изучающей энергетические процессы в организме, стало возможным расшифровать основные этапы этого процесса.

Мы уже отметили, что источником энергии в организме растений является свет. В результате фотосинтеза в зеленом листе растения образуется вещество аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая выполняет функцию аккумулятора (накопителя) химической энергии. Для расшифровки энергетических процессов в клетке был применен биофизический подход. При таком подходе исходят из того, что всякая химическая энергия — это энергия электронов, занимающих самые высшие орбиты в молекуле. Накопление энергии молекулой прямо или косвенно связано с подъемом электрона на орбиту, более удаленную от ядра. Спуск электрона на нижнюю орбиту сопровождается выделением энергии, которая может быть превращена в работу. Чем выше уровень (то есть чем дальше электронная орбита от ядра), тем большую энергию имеет находящийся там электрон. В обычных условиях электроны занимают нижние орбиты.

В брошюре «Три тайны жизни» сообщалось, что хлорофилл содержится в органоидах клеток зеленых органов растений и что органоиды эти называются хлоропластами.

Итак, как же протекает фотосинтез?

Начинается он с того, что хлорофилл, содержащийся в хлоропластах зеленых листьев, поглощает (сенсибилизирует) кванты световой энергии. В результате фотосенсибилизации молекула хлорофилла приходит в возбужденное состояние и на ее орбите образуется электронная вакансия, которая может быть заполнена за счет присоединения электрона соседней молекулы. В итоге, как было показано советским ученым А. А. Красновским, образуется весьма активное соединение — фотовосстановленный хлорофилл, который может отдать электрон другим веществам, то есть восстановить их. В конечном счете из таких окисленных продуктов — углекислого газа и воды — под воздействием света образуются восстановленные соединения — углеводы и жиры. Если выразить сказанное химическими знаками, то суммарная конечная формула фотосинтеза будет такова: 6СО₂ + 6Н₂О + световая энергия = С₆H₁₂O₆ + 6O₂. При этой реакции на образование одного моля глюкозы (180 г) расходуется 674 килокалории световой энергии.

Фотосинтез на примере свеклы: поглощая световую энергию, зеленые растения создают с ее помощью из углекислого газа (СО₂), воды (Н₂O) и минеральных солей (NPK) богатые энергией органические вещества.

В созданных в процессе фотосинтеза углеводах, жирах и белках запасена химическая энергия, то есть энергия поднятого электрона. Эта энергия имеет световую природу.

Пользуясь очень тонкими методами исследований, советский ученый А. П. Виноградов установил, что освобождающийся при фотосинтезе кислород (О₂) получается не из углекислого газа, как это думали раньше, а образуется при расщеплении воды под действием света. Это явление получило название фотолиза воды. При этом водород воды идет на восстановление углекислоты и в конечном счете на образование углеводов.

Синтетические способности растительных клеток, конечно, не исчерпываются образованием углеводов. В тесной связи с фотосинтезом, а также с общим комплексом биохимических реакций обмена веществ в растительной клетке идут синтезы аминокислот, белков, жиров и других органических соединений.

По новейшим данным, фотосинтез состоит из ряда сложных реакций. Вначале происходит фотолиз воды с выделением кислорода и связыванием водорода хлорофиллом.

Для осуществления фотосинтеза растениям необходимы огромные массы воздуха, так как воздух содержит всего 0,03 процента углекислого газа (СО₂). Чтобы растению получить 3 кубических метра СО₂ (около 6 кг), оно должно пропустить через устичный аппарат своих листьев около 10 000 кубических метров воздуха. Растения лучше и быстрее растут, если воздух содержит большое количество углекислого газа. Однако повышение концентрации углекислого газа в воздухе, положим, до 0,3 процента губительно действует на животных и человека. Чтобы ускорить рост растений и получить от них больше урожай, строят специальные вегетационные домики, где повышают содержание СО₂ в атмосфере от 1 до 5 процентов. Обычно в таких домиках выращивают ранние овощи.

В настоящее время подсчитано, что ежегодно все зеленые растения земного шара синтезируют до 100–150 миллиардов тонн органических веществ. При этом большую часть (около 2/3) органических веществ синтезируют водные, а не наземные растения.

Среди водных растений наиболее активным фотосинтезом обладают водоросли. Некоторые одноклеточные водоросли, например хлорелла, при благоприятных условиях фотосинтеза благодаря быстрому росту и размножению могут увеличивать общий вес и число клеток в семь и более раз в сутки. Цикл жизни у нее определяется восемью часами. Таким образом, за сутки могут завершить жизнь три поколения, дав начало четвертому. Одноклеточные водоросли ценны в том отношении, что они, легко культивируясь на искусственных питательных растворах, синтезируют в большом количестве различные органические вещества и многие витамины. Хлорелла, например, содержит в сухом веществе до 50 процентов белка, 25 процентов жира, 15 процентов углеводов и 10 процентов минеральных солей; кроме того, в ее состав входят важнейшие витамины «А», «В» и «С». В настоящее время в Советском Союзе, США, Японии и других странах хлорелла и некоторые другие планктонные водоросли культивируются в больших масштабах в экспериментальных установках полупроизводственного характера. В благоприятных условиях, то есть при оптимальном температурном режиме, достаточном освещении и высокой концентрации углекислого газа, хлорелла может создавать большое количество органических веществ: за сутки до одного центнера в пересчете на один гектар.