Солнце, жизнь и хлорофилл

Средняя мощность излучения Солнца на уровне Земли равна 160 Вт на 1 м². Большая часть этой энергии (99,9 %) поглощается почвой, расходуется на ветры, на испарение воды, грозы и все то, что связано с погодой. И только 0,1 % лучистой энергии Солнца (»10¹⁴ Вт) накапливается растениями в процессе фотосинтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Из всей энергии фотосинтеза »10 % (»10¹³ Вт), приходится на пашню, луга, и примерно половину этой энергии (»5×10¹² Вт) потребляет на свои нужды человек.

Трудами многих ученых установлено, что под лучами Солнца в зеленых листьях деревьев и растений происходит превращение углекислого газа и воды в сахар и древесину, которое сопровождается выделением кислорода.

Человек и весь животный мир на земле полностью зависит от этого процесса: мы дышим кислородом воздуха, едим хлеб, испеченный из злаков, пьем молоко, принесенное с пастбищ.

Космическая роль растений и деревьев огромна.

Это они способны улавливать энергию солнечного излучения и превращать ее в химическую энергию органических соединений, необходимых для поддержания жизни.

Парижские аптекари Пельтье и Каванту выделили из растений хлорофилл, который составляет основу в сложной цепи превращений воды и углекислого газа в крахмал.

Русский ботаник М.С. Цвет установил, что существует не один, а два хлорофилла. Немецкий биохимик нашел их состав: голубовато-зеленый хлорофилл а состоит из 137 атомов С₅₅Н₇₂N₄O₅Mg, а желтовато-зеленый хлорофилл b - из 136 атомов С₅₅Н₇₀N₄O₆Mg.

Структура хлорофилла состоит из последовательности, в которой атомы соединены между собой, является близкой к структуре гема - основной части гемоглобина крови живых существ. Только вместо атома железа, из-за которого гемоглобин окрашен в красный цвет, в центре молекулы хлорофилла помещен атом магния, придающий ему зеленый цвет.

Химическая процесс фотосинтеза довольно прост: молекула воды Н₂О соединяется с молекулой углекислого газа СО₂, освобождая при этом молекулу кислорода О₂.

Н₂О+ СО₂® СН₂О+О₂ -5 эВ.

Образуется строительный блок СН₂О, который входит в состав многих органических соединений.

Например, глюкоза С₆Н₁₂О₆ или (СН₂О)₆ состоит из 6 таких блоков.

Такая перестройка атомов требует затраты энергии: 3,32 эВ для разрыва связей между водородом и кислородом в молекуле воды и еще 1,68 эВ - на отрыв атома кислорода от молекулы СО₂, который затем образует молекулу кислорода с атомом кислорода из молекулы воды Н₂О. Энергию зеленые листья растений и деревьев черпают из потока квантов солнечного света.

Каждая химическая связь образуется парой электронов, поэтому при разрыве двух связей водород-кислород и образовании двух новых связей водород-углерод необходимо переместить 4 электрона. Для этого необходимо 8 квантов красного цвета, т.е. по два кванта на каждый электрон. В связи с этим истинное уравнение фотосинтеза имеет вид:

СО₂ + Н₂О + 8hn ® СН₂О + О₂.

Энергия красного кванта с длиной волны ~7×10^-7 м равна 1,8 эВ, а суммарная энергия 8 квантов -14,4 эВ. Одна треть этой энергии (~5 эВ) запасается в виде энергии химических связей в молекулах глюкозы.

Когда мы дышим, то молекулы кислорода, захваченные гемоглобином, в присутствии ферментов соединяются с молекулами глюкозы в обратном процессе

СН₂О + О₂ ® СО₂ + Н₂О,

освобождая при этом энергию солнечного луча, запасенную хлорофиллом, которая, в конечном итоге, и сохраняет нашу жизнь.

Однако это не просто химическая реакция, а сложный биохимический процесс, включающий в себя несколько стадий и десятки других разнообразных реакций.

В листьях растений молекулы хлорофилла размером ~10^-10 м упакованы в специальные структуры - хлоропласты, представляющие собой чешуйки диаметром ~10^-5 м и толщиной ~10^-6 м. Они покрыты оболочкой, имеют сложный внутренний состав, в который входит до 10 различных разновидностей хлорофилла и более 200 других соединений. В хлоропластах молекулы хлорофилла образуют ячейки по 300 молекул в каждой и вместе с другими пигментами, назначение которых - улавливать свет и передавать его энергию на реакционный центр (Р₇₀₀) ячейки.

Предполагается, что этот реакционный центр представляет собой две молекулы хлорофилла а, которые объединены с молекулами пигмента, и поглощают красный свет с длиной волны ~7×10^-7 м.

Энергии этих квантов (~1,8 эВ) достаточно, чтобы оторвать электрон от хлорофилла а и передать его, по цепочке промежуточных соединений, к месту объединения молекулы углерода с протонами разрушенной молекулы воды.

За одну секунду реакционный центр может переработать до 50 квантов света, т.е. обеспечить синтез одной молекулы глюкозы и выделить 6 молекул кислорода.

Как установлено, существует два реакционных центров: фотосистема I (Р₇₀₀) и фотосистема II.В фотосистеме I при удалении электрона из хлорофилла а, происходит синтез промежуточных непрочных соединений, в которых запасается поглощенная хлорофиллом а, энергия квантов.

Среди этих соединений следует отметить сложное соединение С₁₀Н₁₆О₁₃N₅P₃ - аденозинтрифосфат (АТР), которое является универсальным аккумулятором энергии во всех живых организмах.

Фотосистема II имеет реакционный центр Р₆₈₀, который поглощает красные лучи с длиной волны ~6,8×10^-7 м, использует их энергию для отрыва электронов от некоторой системы S, которая является белковым комплексом, содержащим атом марганца. Отдавая последовательно 4 электрона, он становится катализатором, в присутствии которого молекулы воды расщепляются на водород и кислород.

Обе стадии фотосинтеза, приводящие к образованию АТР и расщеплению воды, очень кратковременны ~10^-9 с, и происходят только на свету. Затем следует, более длительная стадия реакций ~0,05 с, не требующая света. Она включает до 20 реакций (цикл Кельвина), в которых протоны, используя энергию накопленную в АТР, через цепочку промежуточных комплексов, присоединяются к углероду молекулы углекислого газа и образуют с ним структурную единицу СН₂О любой древесины.

С восходом Солнца зеленые листья растений и деревьев продолжают свою молчаливую работу, улавливают солнечный свет и консервируют его.

Но так было не всегда: фотосинтез возник на Земле в процессе эволюции растений около миллиарда лет назад, когда кислорода в атмосфере было менее процента, и почти вся она состояла из азота и углекислого газа.

Простейшие сине-зеленые водоросли начали перерабатывать углекислоту в кислород, над Землей возник озоновый слой атомарного кислорода, который и сейчас предохраняет все живое от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. Жизнь под его защитой вышла из океанов на сушу, возникли животный мир, и появился человек, которые теперь возвращают долг растениям, снабжая их углекислотой.

За 1 час 1 м² листьев усваивает 6 - 8 г (3 - 4 литра) СО₂ из воздуха и выделяет такой же объем кислорода. Человек потребляет 500 литров кислорода в сутки и такой же объем углекислого газа возвращает деревьям и растениям. Весь углекислый газ атмосферы проходит через растения за 300 лет, а весь кислород через легкие человека и животных - за 2000 лет.

Красный свет, используемый в процессе фотосинтеза, составляет всего 2 % от общего потока излучения Солнца и только 30 % из этой части усваивается растениями. Это немного, но эта узкая тропа - единственный путь, связывающий царство неживой материи с миром живых существ, по которому энергия термоядерных топок Солнца, непрерывно дробясь, в виде квантов света достигает нервных клеток мозга человека, способного понять и оценить весь этот непостижимый замысел Природы и его постигаемое воплощение.