Международный конкурс научно-образовательных проектов

«Энергия будущего»

 

Необычный источник энергии - фотосинтез

 

Автор работы:

Черкашина Наталья Федоровна

 

Научный руководитель:

 Матанцева Ирина Анатольевна

 

 

Курчатов 2006

СОДЕРЖАНИЕ.

1.Экологические проблемы энергетики…………………………………………3 – 5

 1.1. Экологические проблемы тепловой энергетики……………………………3

 1.2. Проблемы экологии в ядерной энергетике………………………………….4

 1.3. Экологические проблемы гидроэнергетике…………………………………5

 1.4. Некоторые пути решения проблем современной энергетики………………5

2. Альтернативные источники получения энергии…………………...…...……6 – 8

 2.1. Ветер как источник энергии…………………………………………………...6

 2.2. Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов……………..6

 2.3. Энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод………6

 2.4. Солнце как источник тепловой энергии………………………………………7

 2.5. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу………….7

 2.6. Заключение………………………………………………………………..........8

3. История фотосинтеза…………………………………………………………9 - 12

 3.1. Скорость фотосинтеза………………………………………………………...11

 3.2. Опыт с мечеными атомами…………………………………………………...12

4. Что такое фотосинтез?………………………………………………………13 – 20

 4.1. Запасание энергии……………………………………………………………14

 4.2. Ассимиляция двуокиси углерода……………………………………………15

 4.3. Выделение молекулярного кислорода………………………………………16

 4.4. Молекулярные основы преобразования и запасания энергии света при фотосинтезе…………………………………………………………………………..17

5. Зеленая электростанция…………………………………...…………………21 - 24

6. Фотосинтез и урожай………………………………………………...………25 - 26

7. Экология фотосинтеза…………………………………………………………….28

8. Список литературы……………………………………………………………...32

 

Комментарий ред. сайта: на наш взгляд, рассматривать (и искусственно воспроизводить) фотосинтез следует не в качестве источника энергии, а в качестве источника углеводов с нужным направлением вращения плоскости поляризации.

При этом следует обратить внимание на то обстоятельство, что фотосинтез может рассматриваться как пример концентрации энергии – 2 фотона на 1 акт реакции, что есть смысл использовать и в системах синтеза вещества из излучения

Экологические проблемы энергетики

               Экология энергетики - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12 -15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

               Нет основания, ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся (некоторое замедление их в промышленно развитых странах компенсируется ростом энерговооруженности стран третьего мира), поэтому важно получить ответы на следующие вопросы:

- какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет  изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в  ближайшей и отдаленной перспективе;

- можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных  (традиционных) методов получения и использования энергии;

- каковы возможности производства энергии за счет альтернативных  (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра,  термальных вод и других источников, которые относятся к  неисчерпаемым и экологически чистым.

            В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

1.1. Экологические проблемы тепловой энергетики

               За счет сжигания топлива (включая уголь, дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. Доля тепловых источников уменьшается до 80 - 85% в производстве электроэнергии.

               Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2 - 4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

1.2. Проблемы экологии в ядерной энергетике.

               Атомная энергетика даёт 17 - 18% электроэнергии. Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более лёгких, с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики. Основные экологические проблемы ядерной энергетики до недавнего времени связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

 Некоторые параметры воздействия АЭС и ТЭС на среду представлены в табл.1. Сравнение АЭС и ТЭС по расходу топлива и воздействию на среду.

              

Мощность электростанций по 1000 МВт, работа в течение года (Б. Небел, 1993г)

Факторы воздействия на среду	ТЭС	АЭС
Топливо	3,5 млн. т угля	1,5 т урана или 1000 т урановой руды
Отходы: - углекислый газ	10 млн. т	---
- сернистый ангидрид и другие соединения	400 тыс. т	---
- зола	100 тыс. т	---
- радиоактивные	---	2 т

 табл. 1

               При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2 - 4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

 В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

- разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных  структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе);

- изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные  территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи,  отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800 - 900 га. Пруды  могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 м и высотой, равной 40-этажному зданию;

         - изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс  подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;

- не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в  процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

1.3. Экологические проблемы гидроэнергетики

          В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5 -6% электроэнергии.

          Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства.

1.4. Некоторые пути решения проблем современной энергетики

1.      Использование и совершенствование очистных устройств.

2.      Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами.

3.      Большие и реальные возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии.

4.      Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий.

5.      Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ.

Альтернативные источники получения энергии

 Основные современные источники получения энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи важно познакомиться с возможностями использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников.

2.1. Ветер как источник энергии

 Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств и т. п.). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединяемых в одну систему.

 

2.2. Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов

 Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС. В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства, плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

 

2.3. Энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод

               Большими энергетическими ресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относится энергия приливов и отливов, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.

               В мире пока действуют две-три приливно-отливные электростанции. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.

               В океанических водах для получения энергии можно использовать разности температур на различных глубинах. В теплых течениях, например в Гольфстриме, они достигают 20°С.

               Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.

               Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.

2.4. Солнце как источник тепловой и электрической энергии

Это практически неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредствованно через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями.

 Использование солнечного тепла - наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем.

 Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно посредством использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия индуцируется в электрический ток безо всяких дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей.

 В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами.

 

2.5. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу

 В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1% потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту, которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.

 В целом же биотопливо можно рассматривать как существенный фактор решения энергетических проблем если не в настоящее время, то в будущем. Основное преимущество этого ресурса - его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

2.6. Заключение

 В заключение можно сделать вывод, что современный уровень знаний, а также имеющиеся и находящиеся в стадии разработок технологии дают основание для оптимистических прогнозов: человечеству не грозит тупиковая ситуация ни в отношении исчерпания энергетических ресурсов, ни в плане порождаемых энергетикой экологических проблем. Есть реальные возможности для перехода на альтернативные источники энергии (неисчерпаемые и экологически чистые).

 С этих позиций современные методы получения энергии можно рассматривать как своего рода переходные. Вопрос заключается в том, какова продолжительность этого переходного периода и какие имеются возможности для его сокращения.

3. История фотосинтеза.

 История фотосинтеза связана со многими известными учеными, которые внесли огромный вклад в развитие науки.

 Ван – Гельмонт решил узнать, благодаря чему растет растение. Чтобы ответить на этот вопрос, он проделал следующее. Взял кадку, в которую насыпал 91 килограмм высушенной в печи почвы, смочил ее дождевой водой и посадил ивовый побег массой 2,25 килограмма. Каждый день в течение пяти лет он поливал растение чистой дождевой водой. По прошествии этого времени Ван-Гельмонт извлек деревце, тщательно очистил корни от прилипших частиц почвы и взвесил содержимое кадки и растение. Оказалось, что масса почвы уменьшилась всего на 57 граммов, а вот масса ивы возросла почти на 75 килограммов. Результат эксперимента исследователь объяснил исключительно поглощением воды. Так возникла водная теория питания растений.

 Джозеф Пристли (1733— 1804) — известный английский ученый-химик, открыл кислород, получил хлористый водород, аммиак, фтористый кремний, сернистый газ, оксид углерода. Химика Пристли заинтересовал вопрос: почему воздух полей и лесов чище городского? Ученый предположил, что растения очищают его от веществ, выделяемых людьми при дыхании, а также дымящимися трубами заводов и фабрик. С целью проверки своего предположения он посадил под стеклянный колпак мышь.

 Довольно быстро животное погибло. Тогда экспериментатор поместил под такой же колпак другую мышь, но уже вместе с веткой мяты. «Это было сделано в начале августа 1771 года. Через восемь-девять дней я нашел, что мышь прекрасно могла жить в той части воздуха, в которой росла ветка мяты. Побег мяты вырос почти на три дюйма...» [1].

 Голландский врач Ингенгауз (1730—1799) усомнился в правильности такого эксперимента и с целью проверки провел ряд опытов. В результате своих опытов он сделал открытие, что только зеленые части растений могут улучшать воздух, да и то лишь в том случае, когда они находятся на свету. Все остальное — цветки, корни, а также зеленые листья, лишенные света, — воздуха не исправляет.

 Можно проделать следующий опыт. Возьмем две банки с водой. В одну нальем воду из - под крана, а в другую — кипяченую и охлажденную. При кипячении, как известно, удаляются газы, растворенные в воде. Затем в каждую банку поместим веточки водного растения элодеи, накроем их воронками, на отростки которых наденем пробирки, наполненные водой. Обе банки выставим на свет.

 Через некоторое время мы заметим, что в банке с не кипяченой водой

веточки элодеи начинают выделять какой-то газ. Когда он заполнит пробирку, можно установить, что это кислород: внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхивает. В банке с кипяченой водой, где нет углекислого газа, веточки элодеи кислорода не выделяют.

 Попробуем доказать, что все дело именно в углекислом, а не в каком-то

ином газе, удаленном при кипячении. Для этого пропустим через кипяченую воду углекислый газ, и вскоре веточки элодеи станут выделять кислород.

 Никола Теодор Соссюр (1767—1845) работал в области физики, химии и геологии. Однако мировую известность приобрел благодаря трудам в области физиологии растений. С помощью точных методов количественного химического анализа он убедительно доказал, что растения на свету усваивают углерод из углекислого газа, выделяя при этом кислород. Ученый также установил, что растения, как и животные, дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.

 Так постепенно складывались представления о фотосинтезе как о процессе, в ходе которого из углекислого газа и воды зеленые растения на свету образуют органические вещества и выделяют кислород:

6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2

 Самое интересное из веществ во всем органическом мире. Так назвал хлорофилл великий Чарльз Дарвин, когда наш соотечественник Климент Аркадьевич Тимирязев рассказал ему о своих опытах с этим веществом.

 Познакомимся с некоторыми свойствами этого пигмента. Если поместить за пробиркой черную бумагу или какой-то темный предмет и направить на нее яркий свет. Раствор хлорофилла отражает свет с измененной длиной волны, поэтому хлорофилл приобретает вишнево-красную окраску. Это явление носит название флуоресценции.

 В чем причина флуоресценции хлорофилла? Кванты света падают на его молекулы, находящиеся в растворе, и вызывают их возбуждение. При этом электрон молекулы пигмента переходит на более высокий энергетический уровень. В растворе, в отличие от зеленого листа, энергия возбужденного электрона не расходуется на синтез органических веществ, поэтому этот электрон возвращается на прежний энергетический уровень, а избыток энергии испускается в виде квантов красного света. Видимый свет, как известно, состоит из разных лучей: фиолетовых, синих, голубых, зеленых,

желтых, оранжевых, красных. Их окраска зависит от длины волны, которая увеличивается по направлению от синих к красным лучам солнечного спектра.

 Величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом в противоположном направлении: кванты синих лучей значительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеивается в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Вот почему мы видим красное свечение при освещении хлорофилла белым светом, то есть совокупностью разных лучей солнечного спектра.

 Отчего зависит зеленая окраска пигмента? Если добавить в пробирку с вытяжкой хлорофилла несколько капель слабой соляной кислоты. Тотчас же окраска изменится на оливково-бурую. Что при этом произошло с хлорофиллом?

Уже давно установлено, что его молекула содержит атом магния. При взаимодействии с соляной кислотой он вытесняется из нее атомами водорода соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет зеленую окраску пигмента.

 В ту же пробирку можно добавить небольшое количество ацетата меди или ацетата цинка и подогреть содержимое пробирки на спиртовке. Едва жидкость закипит, окраска раствора резко изменится — вместо оливково-бурой она вновь станет изумрудно-зеленой. Что же при этом произошло? В молекуле хлорофилла на место атома магния при взаимодействии с соляной кислотой встал водород.

 В свою очередь, атомы водорода при добавлении ацетата меди или ацетата цинка и нагревании вытесняются атомами меди или цинка. Происходит восстановление металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от того, будет ли это магний, медь или цинк.

3.1. Скорость фотосинтеза.

 Если солнечный спектр, который мы наблюдаем в спектроскопе, спроектировать на экран, то можно изучать скорость фотосинтеза в разных лучах — синих, желтых, зеленых, красных.

 Впервые интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра исследовал физик В. Добени. В 1836 году он сделал очень важное открытие: зеленый лист может осуществлять фотосинтез в отдельных лучах спектра, причем в зависимости от характера лучей он идет с неодинаковой скоростью. Но вот на вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее интенсивно, В. Добени ответил неправильно. И виной тому методические погрешности при проведении эксперимента. К.А.Тимирязев с помощью аппаратуры, которую создал химик Пьер Эжен Марсель Вертело, убедительно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, которые, как уже отмечалось, интенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направлению к зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза ослабевает. В зеленых лучах она минимальная. В сине-фиолетовой части наблюдается новый подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, Тимирязев установил, что максимум усвоения листом углекислого газа совпадает с максимумом поглощения света хлорофиллом. Иными словами, он впервые экспериментально доказал, что закон сохранения энергии справедлив и по отношению к фотосинтезу. Зеленый цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к поглощению именно тех лучей солнечного спектра, энергия которых наиболее полно используется в ходе фотосинтеза.

 Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом.

 

3.2. Опыт с мечеными атомами.

 Американский ученый Мэлвин Кальвин для изучения темновых реакций фотосинтеза, связанных с фиксацией и превращением углекислого газа, широко использовал метод меченых атомов.

 М. Кальвин избрал в качестве объекта исследования зеленую водоросль - хлореллу. После кратковременного освещения в присутствии радиоактивного углекислого газа ее быстро убивали (фиксировали) горячим спиртом, чтобы приостановить протекающие в ней реакции. Затем спиртовую вытяжку концентрировали, разделяли на хроматограмме и проводили анализ на содержание различных радиоактивных соединений.

 Достаточно пяти секунд пребывания в атмосфере углекислого газа, чтобы меченый углерод этого соединения оказывался в трехуглеродном органическом веществе под названием фосфоглицериновая кислота. Как оно образовалось?

 Кальвин предположил, что углекислый газ присоединяется к некоему пятиуглеродному соединению. В результате возникает шестиуглеродное соединение, которое по причине своей нестойкости на хроматограммах не обнаруживается. Оно, едва возникнув, тотчас же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

 Предположение М. Кальвина подтвердилось — углекислый газ действительно присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат.

 Работы М Кальвина по выяснению сущности темповых реакций фотосинтеза — крупнейшее достижение современной физиологии растений. В 1961 году он был удостоен Нобелевской премии.

 

Что такое фотосинтез?

 

 Фотосинтез - это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии солнца в энергию химических связей органических веществ.

 Фотосинтез происходит с участием поглощающих свет пигментов. Фотосинтез – единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергии все земные организмы (кроме хемосинтезирующих). Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд.т органического вещества, усваивается 300 млрд.т СО2 и выделяется около 200 млрд.т свободного О2. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли, появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции.

 Фотосинтез, уникальный физико-химический процесс, осуществляемый на Земле всеми зелеными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза - последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых осуществляется перенос электронов от донора-восстановителя к акцептору – окислителю с образованием восстановительных соединений (углеводов) и выделением О2, если окисляется вода.

 Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию в реакциях фотосинтеза, осуществляют связь жизни на Земле со Вселенной и определяют в конечном итоге всю ее сложность и разнообразие. Человечество все более осознает очевидную истину, впервые научно обосновано К.А. Тимирязевым и В.И. Вернадским: «Экологическое благополучие биосферы и существование самого человечества зависит от состояния растительного покрова нашей планеты».

 Как известно, фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии, в результате которого из простых веществ — углекислоты и воды — синтезируются углеводы, и выде­ляется молекулярный кислород. В общем виде этот процесс можно описать следующим уравнением.

Фотосинтез

Фотоокисление воды

Свет !

Н2О + СО2 ---» О2 + ± (С6Н12О6) (+ 114 ккал/моль)

I Растения i

Ассимиляция (восстановление) С0₂ Дыхание

Уравнение фотосинтеза кислородвыделяющих фотосинтезирующих организмов.

 Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле, пожалуй, нет более удивительного про­цесса, который смог бы в такой степени преобразовать нашу планету.

4.1. ЗАПАСАНИЕ ЭНЕРГИИ

 Как следует из уравнения, на каждый ассимилированный в процессе фотосинтеза моль углекислоты запасается 114 ккал энергии. В чем же состоит достоинство запасания солнечной энергии растениями по сравнению с неорганизованной ("нефотосинтезирующей") системой? Любое вещество, поглощая квант солнечной энергии, переходит в возбужденное состояние, что уже можно рассматривать как преобразование энергии электромагнитного излучения и ее запасание. Однако энергия электронного возбуждения очень быстро растрачивается на тепло или же вновь излучается в пространство, следовательно, в виде возбужденных состояний энергия света может быть запасена лишь на незначительные доли секун­ды. В результате же фотосинтеза энергия поглощен­ного кванта света, запасается надолго: от минут и часов до сотен и даже миллионов лет (как это имело место, например, при образовании горючих ископаемых — нефти, природного газа, каменного угля, торфа в результате разложения наземных и морских расте­ний или животных). Но этим, конечно, не исчерпы­вается специфика фотосинтеза в использовании солнечной энергии. Так, формирование горных ледников и озер тоже происходит за счет энергии Солнца, идущей на испарение воды, и при этом тоже происходит запасание солнечной энергии на длительное время.

 В связи с этим говорят об еще од­ном преимуществе фотосинтеза: запасание солнеч­ной энергии происходит в очень удобной для биоло­гического использования форме — молекулярной, в виде богатых энергией связей, в основном в сахарах и их производных, а также в аминокислотах, белках, жирах, которые в любой необходимый момент мо­гут быть использованы растениями или "съевши­ми" их нефотосинтезирующими (гетеротрофными) организмами для покрытия своих энергетических потребностей, для биосинтеза собственных высо­комолекулярных соединений.

 Масштабы фотосинтетического преобразова­ния и запасания солнечной энергии огромны: каж­дый год за счет фотосинтеза на Земле образуется около 200 млрд. т биомассы, что эквивалентно энергии, равной 3*10²¹ Дж или 7,2*10²° кал. При этом необходимо иметь в виду, что фотосинтез — единственный биологический процесс, протекаю­щий с запасанием свободной энер­гии. Все остальные процессы, как в растениях, так и в животных, проходят за счет химической энергии, накапливаемой в фотосинтезирующих организмах в результате преобразования поглощенного солнеч­ного света. Следовательно, практически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдаленный результат фотосинтетической деятель­ности растений, которые являются посредниками между неиссякаемым источником энергии — Солн­цем и всем живым миром нашей планеты.

 

4.2. АССИМИЛЯЦИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА

 Ежегодная ассимиляция углекислого газа на Земле в результате фотосинтеза составляет около 260 млрд. т, что эквивалентно 7,8*10¹⁰ тонн уг­лерода, и это связывание углерода компенсируется выделением практически такого же количества С0₂ в результате дыхания нефотосинтезирующих организмов. В мировом океане содержится в 60 раз больше углерода, чем в атмосфере (3,5*10¹³ тонн), что связано с очень высокой растворимостью С0₂ в воде и обра­зованием Н₂С0_3. В верхних слоях океана, содержащих лишь 1,5% всего углерода, растворен­ного в воде, обмен углерода с атмосферой осуще­ствляется достаточно быстро (за 6 — 7 лет), тогда как для установления такого равновесия с глубинными слоями океана требуется несколько тысячелетий. Вследствие этого сжигание ископаемого топлива в промышленном масштабе привело к увеличению содержания С0₂ в атмосфере с 0,027% (в доиндустриальную эпоху) до 0,034% в настоящее время. Рас­четы показывают, что к 2035 году содержание угле­кислого газа в атмосфере удвоится, то есть будет составлять около 0,06%. Основным последствием этого, как считается, будет глобальное потепление климата, обусловленное так называемым "теплич­ным эффектом", связанным с тем, что углекислый газ "прозрачен" для основной части солнечного света, но задерживает (поглощает) тепловое (ин­фракрасное) излучение от нагретой Солнцем по­верхности Земли.

 Увеличение концентрации С0₂ в атмосфере в два раза может привести к повышению температуры поверхности Земли на 2 — 3°С, причем оно будет минимальным в тропической зоне и мак­симальным в высоких широтах (8 — 11°С). Такое повышение температуры вызовет таяние льдов, особенно в Антарктиде, что может привести к по­вышению уровня моря на 5 м и затоплению значи­тельной части суши. Поэтому возможность гло­бального потепления климата становится сейчас проблемой всего человечества. Согласно Междуна­родной конвенции, принятой в 1992 году, развитые индустриальные страны будут проводить политику ограничения промышленного выброса С0₂ в атмо­сферу, а также защиты и увеличения стоков и резер­вуаров С0₂, то есть растительности. Обсуждается даже вопрос о том, что страны с повышенным вы­бросом С0₂ должны платить компенсацию странам, где потребление С0₂ превышает его продукцию.

 В этой связи необходимо отметить, что, согласно оценкам, проведенным российскими учеными, Россию, наряду с северными территориями Канады, можно отнести к странам с увеличенным потребле­нием С0₂, что связано главным образом с "отстава­нием" минерализации органического вещества от фотосинтетической ассимиляции С0₂ в условиях переувлажненных почв на фоне невысоких темпе­ратур в северных областях нашей страны.

 Интерес­но отметить мнение академика А.Л. Яншина о том, что для России, более 50% территории которой рас­положено в зоне вечной мерзлоты, повышение кон­центрации С0₂ и связанное с ним потепление кли­мата выгодно. При этом следует также учитывать, что двукратное повышение содержания С0₂ в атмо­сфере приведет к 60%-ному повышению скорости фотосинтеза на Земле.

 

 

 

4.3. Выделение молекулярного кислорода

 Приобретенная в процессе эволюции способность фотосинтезирующих растений к выделению молекулярного кислорода в результате окисления воды привела к поистине революционным преобразованиям на Земле, из которых необходимо отметить следующие:

1.                  Фотосинтезирующие организмы, а через их посредство и вся живая природа, получили доступ к практически неиссякаемому и возобновляемому источнику электронов, участвующих во всех биоэнергетических процессах, — воде, что, естественно, привело к резкому возрастанию масштабов фо­-
тосинтеза и поступления энергии в биосферу.

2.                  Продукт фотосинтетического окисления воды — молекулярный кислород, содержание которого в атмосфере возросло в результате фотосинтеза практически от нуля в древней атмосфере до 21% в на­стоящее время, вызвал значительные изменения во всей живой природе. Появление в атмосфере сво­бодного 0₂ привело к массовой гибели существовав­ших тогда организмов, для которых такой сильный окислитель как кислород оказался сильнейшим ядом, поскольку он резко нарушал протекание био­энергетических процессов. В то же время в резуль­тате длительной эволюции на фоне возрастающей концентрации 0₂ в атмосфере появились новые, аэ­робные организмы, обратившие наличие 0₂ себе на пользу. Они сумели включить его в свой метаболизм в качестве эффективного конечного акцептора эле­ктронов в дыхательной цепи. Это позволило под­нять биоэнергетику на новый, значительно более высокий уровень, так как в этом случае происходит более эффективное "сжигание" органики. Фотосинтетическое образование 0₂, сопровож­дающееся поглощением С0₂, в сочетании с появив­шейся возможностью аэробного дыхания, при котором происходит обратный процесс — потребление 0₂, сопровождающееся освобождением С0₂, при­вело к образованию замкнутых циклов 0₂ и С0₂, имеющих глобальные масштабы. Сочетание этих циклов позволяет восполнять содержание как С0₂, так и 0₂, а их участие в едином цикле "фотосинтез - дыхание" обеспечивает постоянное поступление энергии в биосферу.

3.                  Появление кислородвыделяющих организмов привело к тому, что практически все процессы на поверхности Земли приняли биогеохимический характер. Сам процесс фотосинтеза, сопровождающийся образованием и запасанием органического вещества, привел к зна­чительному, более чем в 100 раз, уменьшению со­держания С0₂ в атмосфере.

 В результате первичная разреженная атмосфера превратилась во вторичную плотную азотокислородную оболочку Земли. Теперь солнечная и другие виды космической радиации, прежде чем достичь поверхности, должны были фильтроваться через мощный слой атмосферы. Кроме того, под действи­ем фотохимического процесса в верхних слоях ат­мосферы двухатомный молекулярный кислород превращается в трехатомную молекулу озона, имею­щего интенсивное поглощение в области жесткого ультрафиолета (0,2 — 0,3 мкм). В результате образо­вавшийся озоновый экран стал задерживать наибо­лее опасную для живых организмов ультрафиолето­вую радиацию.

 Таким образом, фотосинтез, основанный на окислении воды, благодаря возможности использо­вать воду в качестве субстрата стал мощным постав­щиком энергии в биосферу, революционным обра­зом обогатил биоэнергетику благодаря включению 0₂ в метаболизм живых организмов, защитил жи­вую материю от гибельного действия космической радиации. Все это индуцировало мощное развитие биологической материи на Земле, приведшее в ко­нечном счете к появлению человека. И в настоящее время фотосинтез лежит в основе биологического круговорота энергии и веществ на Земле, от мас­штабов которого зависит и жизнь на нашей плане­те, и ее разнообразие и возможности.

 

4.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ СВЕТА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

 Живая природа настолько рационально решает проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее преобразования и запасания в удобной для биологического потребления форме, что до сих пор не удается воспроизвести основные этапы фо­тосинтеза в искусственных системах. Первичное улавливание и преобразование энергии света при фотосинтезе происходит с непременным участием хлорофилла, что было выявлено уже в классических работах К.А. Тимирязева, показавшего, что именно та часть солнечного света, которая поглощается хлорофиллом, эффективно инициирует процесс фотосинтеза.

 Молекула хлорофилла состоит из порфиринового ядра, образованного тетрапиррольным кольцом с расположенным в цент­ре атомом магния, и фитольного хвоста. Хлорофилл относится к классу веществ, называемых пигмента­ми, то есть сильноокрашенных соединений, харак­теризующихся интенсивным поглощением види­мого света

 Для выяснения молекулярных основ участия хлорофилла в первичных процессах преобразова­ния солнечной энергии при фотосинтезе важней­шее значение имело открытие, сделанное нашим соотечественником, академиком А.А. Красновским, который показал, что при переходе в возбужденное состояние в результате поглощения кванта света молекула хлорофилла приобретает свойство всту­пать в такие окислительно-восстановительные реакции, к которым она не была способна в темноте. При этом молекула хлорофилла (Хл) может потерять свой электрон, то есть окислиться, отдав его другому ве­ществу, называемому в данном случае акцептором (А) электрона, тогда как хлорофилл выступает в данной реакции как донор электрона. Эта реакция получила название реакции Красновского.

ДХлА ДХл *А - ДХл⁺А- Д+ХлА-

 В результате получается система с разделенны­ми зарядами Д⁺ХлА- (элементарная электрическая батарейка), в которой может быть запасена значи­тельная часть энергии кванта света, поглощенного хлорофиллом. Как показано в работах последних десятилетий, именно этот принцип — фоторазделе­ния зарядов — лежит в основе первичного преобра­зования энергии света при фотосинтезе. Где же и каким образом это происходит?

 

Как показано на рис. 1 хлорофилл, определяю­щий зеленый цвет листа растения, распределен не по всей растительной клетке, а сосредоточен в пла­стидах, называемых хлоропластами. В хлоропластах сосредоточен фотосинтетический аппарат, и их роль состоит в энергообеспечении клетки за счет поглощенного света. Хлоропласт имеет геном, ко­торый делится при делении хлоропласта.

 Несмотря на наличие собственного генома, обеспечивающего синтез большей части структур фотосинтетическо­го аппарата, ряд строго необходимых для протека­ния фотосинтеза компонентов (например, основ­ные ферменты, участвующие в биосинтезе хлорофилла, некоторые белки, входящие в систему фотосинтетического окисления воды), кодируются в клеточном геноме. Хлоропласт заполнен так на­зываемыми тилакоидами — замкнутыми сплющен­ными "мешочками", которые состоят из двухслой­ных липидных мембран, образованных в результате впячивания внутреннего слоя двухслойной мембра­ны, ограничивающей весь хлоропласт от цитоплаз­мы. Тилакоиды сгруппированы в плотно упакован­ные темно-зеленые "стопки", получившие название гран, которые связаны между собой частью тилакоидов. В мембраны тилакоидов погружены белки или белковые комплексы, большая часть которых насквозь пронизывает мембрану. Только часть из этих комплексов окрашена в зеленый цвет, то есть содержит хлорофилл; было установлено, что прак­тически весь хлорофилл находится в хлорофилл-белковых комплексах, или, лучше сказать, в пиг­мент-белковых комплексах, поскольку все они на­ряду с хлорофиллом содержат другие пигменты.

 Пигмент-белковые комплексы можно разделить на две функциональные группы. Основная функ­ция первой из них — "светособирающих" или "ан­тенных" пигмент-белковых комплексов — состоит в эффективном улавливании энергии света. Более 90% всего хлорофилла сосредоточено именно в "ан­тенных" комплексах. Большая их часть представля­ет собой белки с молекулярной массой от 20000 до 70000, на каждом из которых расположены 10 — 40 молекул хлорофилла.

 Помимо основного пигмента — хлорофилла а — в состав этих комплексов входит его аналог — хлорофилл б, а также каротиноиды — пигменты желтого или оранжевого цвета (один из них, бета-каротин, определяет окраску моркови). Цианобактерии содержат также бесхлорофилльные пигмент-белковые комплексы — фикобилины, окра­шенные в синий или красный цвет. Они эффектив­но поглощают свет в области спектра, где хлоро­филл имеет слабое поглощение, что позволяет осуществить более эффективное улавливание сол­нечной энергии.

 Энергия возбуждения от светособирающих пиг­ментов с очень высокой эффективностью (близкой к 100%) передается на хлорофилл другой группы пигмент-белковых комплексов — фотохимические реакционные центры. Их основная и важнейшая для всей биосферы функция состоит в том, чтобы преобразовать энергию электронного возбуждения хлорофилла в энергию разделенных зарядов, подобно тому, как это происходит в реакции Красновского, описан­ной выше.

 У кислородвыделяющих организмов имеется два типа реакционных центров, функционирующих в так называемых фотосистеме 1 (ФС-1) и фотосис­теме 2 (ФС-2) рис. 2. Аналоги каждого из этих ре­акционных центров обнаружены у ряда фотосинтезирующих бактерий, и молекулярная структура одного из них, выделенного из пурпурной бактерии, впервые была установле­на с помощью рентгеноструктурного анализа. Не­обходимо отметить, что значительная часть знаний о структурной и функциональной организации фо­тосинтетических реакционных центров получена при помощи изучения именно бактериальных реак­ционных центров. Они отличаются высокой ста­бильностью в изолированном из мембраны состоя­нии, и именно из них удалось впервые получить кристаллы, использование которых в рентгеноструктурных исследованиях позволило получить данные о молекулярной структуре реакционного центра. За эту работу группа немецких исследовате­лей в 1988 году получила Нобелевскую премию.

 В заключение необходимо отметить, что иссле­дование фотосинтеза — сложнейшего фундамен­тального биологического процесса, имеющее дав­ние традиции в отечественной науке, привлекает в настоящее время внимание все большего числа ес­тествоиспытателей — биологов, физиков, химиков, математиков. Познание молекулярных механизмов фотосинтеза будет иметь большое значение для обеспечения человечества экологически чистой энергией за счет практически неиссякаемого источ­ника — солнечного излучения (например, на основе фоторазложения воды на молекулярной водород и кислород), для повышения фотосинтетической продуктивности растений, лежащей в основе обес­печения человечества пищей, для использования принципов фотопреобразования световой энергии при фотосинтезе в фотобиотехнологических и фо­тобиотехнических системах, для обеспечения дли­тельных космических экспедиций органикой и мо­лекулярным кислородом, для решения проблем экологической безопасности отдельных регионов, для сохранения и развития биосферы.

 

 

 

 

 

Зеленая электростанция

 Существует еще один путь использования человеком солнечной энергии, усвоенной растениями, — непосредственная трансформация световой энергии в электрическую.

 Именно способность хлорофилла под действием света отдавать и присоединять электроны лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл.

 М. Кальвин в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать электроны от каких-то определенных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр. Этот фотоэлемент функционировал сравнительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял способность отдавать электроны.

 Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов — гидрохинон. В новой системе зеленый пигмент отдавал не только свои, но и электроны гидрохинона. Расчеты показывают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метров может обладать мощностью около киловатта.

 Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии

использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

 В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином. Это вещество представляет собой белок, соединенный с каротиноидом ретиналем, состоящим из 20 углеродных атомов. Он похож на родопсин — пигмент сетчатки глаза позвоночных животных, что и определило его название. Белковая часть родопсина представлена полипептидной цепью умеренной длины, состоящей из 248 аминокислотных остатков, последовательность расположения которых в молекуле выяснена учеными.

 Большой вклад в исследование структуры бактериородопсина внесли советские ученые, работавшие под руководством академика Ю.А. Овчинникова.

 В конце 1973 года в АН СССР был разработан проект сравнительного изучения животного и бактериального пигментов, получивший название «Родопсин». В 1978 году журнал «Биоорганическая химия» опубликовал статью, в которой излагалась последовательность расположения аминокислот в молекуле бактериородопсина. Лишь через год подобная работа была завершена в США под руководством известного биохимика Г. Кораны.

 Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах

галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.

 Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти

соелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе

поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при

этом их содержимое смешивается с окружающей средой. И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной «упаковки» молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады — в правильные шестиугольники.

 Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов

галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета. На 75 % она состоит из бактериородопсина и на 25 — из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами. Фосфолипиды — это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100°С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям.

 Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти гало-бактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях — в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь. В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

 Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

 В лаборатории известного советского ученого, специалиста в области

биоэнергетики В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраивания

бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в

качестве светозависимого генератора электрического тока.

 Позднее в этой же лаборатории были созданы электрические элементы, в которых использовались белковые генераторы электрического тока. В этих

элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с

бактериородопсином и хлорофиллом. Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут служить в

качестве электрической батареи.

 Исследования по прикладному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории члена-корреспондента АН СССР В. П. Скулачева привлекли к себе пристальное внимание ученых. В Калифорнийском университете создали такую же батарею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла светиться электрическую лампочку. Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоэлементы на основе бактериородопсина и хлорофилла найдут применение в качестве генераторов электрической энергии. Проведенные опыты — первый этап в создании новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью.

 Команда биологов и инженеров под руководством профессора Марка Балдо (Marc Baldo) решила, что растительные белки могут вырабатывать электричество для зарядки аккумуляторов, скажем, ноутбука. В качестве естественного преобразователя света в электроток учёные использовали фотосинтетические белки, извлечённые из хлоропластов листьев шпината, а также из бактерий Rhodobacter sphaeroides. Однако, набрав, таким образом, пару миллиардов крошечных органических помощников, экспериментаторы должны были предоставить им условия для работы. Ведь на сухой твёрдой поверхности белки не сохраняются долго. Тогда органику решили "обмануть", заставив "думать", что она всё ещё внутри организма. Для этого создатели биофотоячеек применили искусственный материал, созданный молекулярным биологом MIT Шугуан Чжан (Shuguang Zhang). Материал представляет собой искусственные пептиды, способные самособираться в структуры, похожие на клеточные мембраны. Защитные молекулы сформировали щит вокруг фотосинетических белков, благодаря чему они смогли какое-то время существовать в солнечной батарее.

Сама же батарея была собрана следующим образом (по ходу лучей света): стекло, тончайший слой оксида индия (в качестве прозрачного электрода), фотосинтетические белки в пептидной оболочке, органический полупроводник, серебряный электрод. Поглощая фотоны, белки переправляли электроны через слой полупроводника в серебряный электрод. Увы, несмотря на все ухищрения, белки давали ток лишь 21 день. Тут то пора сказать, зачем собственно учёным возиться с такими ненадёжными "партнёрами", когда давно есть классические фотоэлектрические преобразователи на полупроводниках, в области которых в последнее время наметился явный прогресс. КПД их составил 12%. По современным представлениям — не так уж много. Но считается, что его можно поднять до 20%, а это в сочетании с низкой стоимостью изготовления — уже серьёзная заявка на то, чтобы потеснить полупроводниковые солнечные панели. Для этого, к примеру, можно сделать внутреннюю поверхность стекла шероховатой, чтобы увеличить эффективную площадь, на которой будут размещаться фотосинтетические белки. А как же срок службы? Тут снова можно подсмотреть "патент" у природы. Растения ведь заменяют старые фотосинтетические белки на новые. Для солнечных батарей также можно придумать технологию самовосстановления, создав фактически искусственный "зелёный лист", который собирает солнечную энергию, но вместо привычного производства биомассы направляет её в провода. Если эта проблема будет решена, то по сроку службы белковые солнечные панели даже превзойдут полупроводниковые, которые на самовосстановление не способны.

 

Фотосинтез и урожай

 Жизнь современного человека немыслима без выращивания различных культурных растений. Органические вещества, образуемые ими в ходе фотосинтеза, служат основой питания человека, производства лекарств, они нужны для изготовления бумаги, мебели, строительных материалов и т.п.

 Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

 Опыты известного отечественного физиолога растений В.Н.Любименко показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 % приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотосинтеза.

 Таким образом, один из путей повышения продуктивности фотосинтеза — увеличение концентрации углекислого газа в воздухе.

 Современный уровень технологии, в целом, позволяет решить эту задачу в глобальных масштабах. Однако весьма сомнительно, чтобы человек решился на практике осуществить этот проект. Дело в том, что более высокий уровень содержания углекислого газа в воздухе приведет к изменению теплового баланса планеты, к ее перегреву вследствие так называемого «парникового эффекта». «Парниковый эффект» обусловлен тем, что при наличии большого количества углекислого газа атмосфера начинает сильнее задерживать испускаемые поверхностью Земли тепловые лучи.

 Перегрев планеты может привести к таянию льдов в полярных областях и в высокогорьях, к поднятию уровня Мирового океана, к сокращению площади суши, в том числе занятой культурной растительностью. Если учесть, что население Земли увеличивается еженедельно на 1 миллион 400 тысяч человек, то понятна крайняя нежелательность таких изменений.

 Человечество весьма обеспокоено естественным ростом концентрации углекислого газа в атмосфере, наблюдаемым в последние годы в результате интенсивного развития промышленности, автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта. Поэтому оно едва ли решится когда-либо сознательно стимулировать этот процесс в глобальных масштабах.

 В последние годы для обогащения почвы и припочвенного воздуха СО2 поля стали поливать водой, насыщенной углекислым газом.

 Другой путь преодоления отрицательного влияния низкой концентрации углекислого газа в атмосфере на урожай — распространение таких форм растений, которые очень интенсивно фотосинтезируют даже при ничтожно малом его содержании. Это — С4 — растения. У них рекордные показатели интенсивности фотосинтеза.

 Распространение таких растений, дальнейшее изучение особенностей их фотосинтеза представляется весьма нужным и перспективным.

 Растительность земного шара довольно неэффективно использует солнечную энергию.

 Повысить эффективность использования солнечной энергии в ходе фотосинтеза можно, расположив растения на оптимальном расстоянии друг от друга. В изреженных посевах значительная часть света пропадет зря, а вот в загущенных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветра.

 

 

Экология фотосинтеза.

 Интенсивность фотосинтеза зависит в первую очередь от интенсивности и спектрального состава света, концентрации СО2 и О2, температуры, водного режима растения, минерального питания и др. факторов внешней среды. Адаптация фотосинтеза к этим факторам лежит в основе жизнедеятельности растения. В условиях, когда внешние факторы не лимитируют скорость фотосинтеза, его интенсивность достигает максимальной величины и целиком определяется ростовой функцией.

 Зависимость скорости фотосинтеза от интенсивности падающего света имеет форму логарифмической кривой. У светолюбивых С3 – растений максимальная скорость фотосинтеза наблюдается при освещении меньше яркого

солнечного света. При дальнейшем увеличении интенсивности падающего света

кривая скорости фотосинтеза постепенно выходит на плато (насыщение) и затем снижается (так называемое послеполуденное торможение).

 У С4 - растений высокая скорость фотосинтеза наблюдается только при высоком уровне освещенности. У них отсутствует послеполуденное торможение фотосинтеза, а световая кривая не имеет насыщения на ярком солнечном свету.

 Во второй половине XIX столетия было установлено, что энергия

солнечного света усваивается и трансформируется при помощи зеленого пигмента хлорофилла.

 На основе проведенных опытов можно сказать что, зеленая окраска

хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от того, будет ли это магний, медь или цинк.

 Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом. Красные лучи, по представлениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни.

 Как известно растения поглощают углекислый газ, который присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат, где потом он в дальнейшем участвует во многих других реакциях.

 Изучение особенностей фотосинтеза у разных растений, безусловно, будет способствовать расширению возможностей человека в управлении их фотосинтетической деятельностью, продуктивностью и урожаем. В целом фотосинтез это один из основополагающих процессов жизни, на котором основана большая часть современной растительной фауны на поверхности земли.

 

Список литературы.

1. Б. Дижур «Зеленая лаборатория» — М.: Детгиз, 1954.

2. Артамонов В. И. «Занимательная физиология растений». – М.: Агропромиздат, 1991

3. Сергеев И. И. «История фотосинтеза». – М.: Наука, 1989

4. Пчелов А. М. «Природа и ее жизнь». – Л.: Жизнь, 1990