Процесс фотосинтеза все больше и больше привлекает к себе внимание ученых. Наука близка к разрешению важнейшего вопроса – искусственного создания при помощи световой энергии ценных органических веществ из широко распространенных неорганических веществ. Проблема фотосинтеза усиленно разрабатывается ботаниками, химиками, физиками и другими специалистами.

В последнее время уже удалось искусственно получить синтез формальдегида и сахаристых веществ из водных растворов карбонатной кислоты; при этом роль поглотителя световой энергии играли вместо хлорофилла карбонаты кобальта и никеля. Недавно синтезирована молекула хлорофилла.

Успехи науки в области синтеза органических веществ наносят сокрушительный удар по идеалистическому учению – витализму, который доказывал, что для образования органических веществ из неорганических необходима особая «жизненная сила» и что человек не сможет синтезировать сложные органические вещества.

Фотосинтез в растениях осуществляется в хлоропластах. Он включает преобразования энергии (световой процесс), превращение вещества (темновой процесс). Световой процесс происходит в гилакоидах, темновой – в строме хлоропластов. Обобщенное циркулирование фотосинтеза выглядит следующим образом:

свет

6СО2 + 12Н2О        à       C6H12O6  + 6Н2О  + 6О2

Два процесса фотосинтеза выражаются отдельными уравнениями

свет

12Н2О          à     12H2 + 6О2 + энергия АТР

(световой процесс)

свет

12H2 + 6О2 + энергия АТР       à       С6Н12О6 + Н2О

(темновой процесс)

Применение изотопного метода анализа показало, что кислород, возвращаемый в атмосферу (16О) принадлежит воде, а не углекислому газу воздуха, в котором преобладает другой его изотоп – 15О. При дыхании живых клеток (окисление свободным кислородом органических веществ внутри клетки до углекислого газа и воды) необходимо поступление из атмосферы кислорода и возвращение углекислоты. Этот газообмен также в основном осуществляется через устьичный аппарат.

свет

С О2 + 2Н2S          à       (CH2O)  + Н2О  +  2S

Этот факт не привлекал внимания исследователей до тех пор, пока ван Ниль не сделал смелого сообщения и не предложил следующего суммарного уравнения фотосинтеза:

свет

С О2 + 2Н2А          à       (CH2O)  + Н2О  +  2А

В этом уравнении Н2А представляет собой либо воду, либо другое окисляемое вещество, например, сероводород или свободный Н2. У зеленых растений и водорослей Н2А = Н2О. То есть ван Ниль предположил, что Н2О, а не углекислота, разлагается при фотосинтезе. Эта блестящая идея, выдвинутая в тридцатые годы, экспериментально была доказана позднее, когда исследователи, использую тяжелый изотоп О2(18О2), проследили путь кислорода от воды до газообразного состояния:

свет

С О2 + 2Н218О2       à       (CH2O)  + Н2О  +  18О2

Таким образом, для водорослей или зеленых растений, у которых вода служит донором электронов, суммарное уравнение фотосинтеза записывается следующим образом:

свет

6СО2 + 12Н2О         à      C6H12O6  + 6О2 + 6Н2О

Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе – это превращение углекислоты и воды в углероды и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением          СО2+Н20 ® [СН20]+02

Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СО2 и Н20. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетические вещества (СО2 и Н20) превращаются в богатые энергией продукты – углеводы и кислород.  Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают,  сколько энергии запасается или растрачивается в каждой реакции. Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс образования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей.

Содержание СО2 в атмосфере остается почти полным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания в митохондриях кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием в конечном счете двуокиси углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в высокоэнергетические соединения – аденозинтрифосфат (АТФ), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. Таким образом дыхание приводит к расходованию органических веществ и  кислорода и увеличивает содержание СО2 на  планете. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащих углерод, в совокупности расходуется в масштабах Земли в среднем около 10000 тонн 02 в секунду. При такой скорости .потребления весь кислород в атмосфере должен бы иссякнуть примерно, через 3000 лет. К счастью для нас, расход органических веществ и атомного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях, таким образом, фотосинтез служит важным фактором, регулирующим содержание 02  на Земле.

Культурные растения спо­собны быстро размножаться, покрывать зеленым экраном своей листвы громадные пло­щади, улавливать колоссаль­ное   количество   солнечной энергии и образовывать вели­кое множество разнообразных органических веществ. В ре­зультате фотосинтеза создает­ся 95 % сухого ве­щества растений. Поэтому мы с полным правом можем ут­верждать,   что  управление этим процессом один из наиболее эффективных путей воздействия на  продуктив­ность растении, на их урожай. Физиологи растений совер­шенно правильно считают, что основная задача  работ  в области фотосинтеза — сохра­нение и поддержание на более высоком уровне фотосинтети­ческой деятельности естест­венной растительности Земли, максимальное повышение фо­тосинтетической   продуктив­ности культурных растений.

Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

Часто сдерживающим фак­тором фотосинтеза является недостаток углекислого газа. Обычно в воздухе присутству­ет около 0,03 % СО2. Однако над интенсивно фотосинтезирующим полем его со­держание уменьшается иногда в три-четыре раза по сравне­нию с приведенной цифрой. Вполне естественно, что из-за этого фотосинтез тормозится. Между тем для получения среднего урожая сахарной свеклы один гектар ее посевов должен усваивать за сутки около 300—400 килограммов углекислого газа. Такое коли­чество содержится в колос­сальном объеме воздуха.

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.

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 теплицах и на поле уве­личение содержания углекис­лого газа имеет важное зна­чение для повышения урожай­ности культурных растений. С этой целью в теплицах сжи­гают опилки, раскладывают сухой лед на стеллажах, вы­пускают углекислый газ из баллонов. Основной способ повышения концентрации СО2 над полем — активизация жизнедеятельности почвенных микроорганизмов путем внесе­ния в почву органических и минеральных удобрений. В процессе дыхания микробы выделяют большое количество углекислого газа. 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.

Опыты Пристли впервые позволили объяснить, почему воздух на Земле остается «чистым» и может поддерживать жизнь, несмотря на горение бесчисленных огней и дыхание множества живых организмов. Он говорил: «Благодаря этим открытиям мы уверены, что растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу».

Позднее голландский врач Ян Ингенхауз (1730-1799) подтвердил работу Пристли и показал, что воздух «исправляется» только на солнечном свету и только зелеными частями растения. В 1796 году Ингенхауз предположил, что углекислота разлагается при фотосинтезе на С и О2, а О2  выделяется в виде газа. В последствие было обнаружено, что соотношение атомов углерода, водорода и кислорода в сахарах и крахмале таково, что один атом углерода приходится на одну молекулу воды, на что и указывает слово «углеводы». Считалось общепринятым, что углеводы образуются из С и Н2О, а О2 выделяется из углекислоты. Это вполне разумная гипотеза была широко признана, но, как позднее выяснилось, она была совершенно неверной.

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.

Таким образом, фотосинтез – это сложный процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и других организмов, не способных к самостоятельному синтезу органических веществ.

Изучение проблем фотосинтеза, помимо общебиологических, имеет и прикладное значение. В частности, проблемы питания, создание систем жизнеобеспечения при космических исследованиях, использование фотосинтезирующих организмов для создания различных биотехнических устройств непосредственно связаных с фотосинтезом.

Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза  в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры – это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.

Скорость фотосинтеза возрастает линейно, или прямо пропорционально увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает определенного  уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтетической активности (энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона – фиолетового и красного, различается всего лишь в два раза, и все фотоны  этого диапазона в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза).

Следует также учесть всю биомассу существующих ныне растений, органическое веще­ство которых образовалось с выделением кислорода.

Но все это еще не самое главное. Первичные запасы кислорода не могли быть со­зданы современными растения­ми или деревьями каменно­угольного периода, поскольку совершенно исключена, воз­можность их существования в атмосфере, лишенной его.

Сторонники    абиогенного происхождения кислорода на Земле, люди, как правило, не искушенные в биологии, спра­шивают: если сначала в ат­мосфере Земли кислорода не было, то где же первые рас­тения брали кислород для ды­хания? При этом они полагают, что своим вопросом нанесли нокаутирующий удар ретро­градам-биологам, придержи­вающимся     традиционного взгляда на природу атмосфер­ного кислорода. Между тем ученые никогда не рассматри­вали современную раститель­ность в качестве источника накопления первичного кисло­рода. В книге Э. Броды «Эво­люция биоэнергетических ме­ханизмов» обстоятельно про­анализированы различные точ­ки зрения по этому вопросу. Автор пишет: «Никто не сомне­вается, что до появления у растений фотосинтеза содер­жание свободного кислорода было незначительным… Един­ственным источником свобод­ного молекулярного кислорода был фотолиз водяных паров в высших слоях атмосферы, который протекал под дей­ствием солнечного коротковол­нового ультрафиолета. Сво­бодный водород, возникавший при этом, постепенно улетучивался в пространство, ос­тавляя в атмосфере кислород… Количество кислорода, об­разованного под воздействием света, не­сомненно, было гораздо ниже тех количеств кислорода, ко­торые высвобождаются при фотосинтезе в наше время за тот же промежуток вре­мени».