Реферат: Фотосинтез - проще простого

Выше мы проследили путь возбужденного квантом света электрона в ходе фотосинте­за. В настоящее время он изучен довольно детально. Именно способность хлоро­филла под действием света отдавать и присоединять электроны лежит в основе работы генераторов, содержа­щих хлорофилл.

М. Кальвин, работы которо­го мы уже неоднократно упо­минали, 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 (о каротиноидах мы поговорим ниже) 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.

7. 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.

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.

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 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.

Растительность земного ша­ра довольно неэффективно ис­пользует солнечную энергию. Коэффициент полезного дей­ствия у большинства дикорас­тущих растений составляет всего 0,2 %, у культур­ных он равен в среднем одно­му %. При оптималь­ном снабжении культурных растений водой, минеральны­ми солями коэффициент по­лезного использования света повышается до четырех — шести %. Теоретичес­ки же возможен КПД, равный восьми—десяти %. Сопоставление приведенных цифр говорит о больших воз­можностях в увеличении фо­тосинтетической продуктив­ности растений. Однако прак­тическая их реализация встре­чает большие трудности.

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. В том и другом случае происходит снижение урожая. Вот почему очень важно выбрать для каждой культуры наиболее оптимальное рас­стояние. При этом следует учи­тывать, что оптимальная плот­ность посевов может быть раз­личной в зависимости от обес­печенности растений водой, элементами минерального пи­тания и от их особенностей. К сожалению, многие агроно­мы не принимают во внима­ние названные факторы, по­этому так медленно растет продуктивность наших полей. Наиболее часто растения не­эффективно фотосинтезируют из-за недостатка воды и эле­ментов минерального питания. Если улучшить условия водо­снабжения и питания, то раз­меры листовой поверхности увеличатся, а между ними и величиной урожая обычно су­ществует прямая зависимость. Однако существует некото­рый предел роста эффектив­ности фотосинтеза, когда дальнейшее улучшение водо­снабжения и минерального питания не дает результатов. Дело в том, что при определенном размере листовой по­верхности (обычно, когда на 1 квадратный метр посевов приходится четыре-пять квад­ратных метров листьев) рас­тения поглощают практически всю энергию света. Если же на единицу площади поля при­ходится еще большая поверх­ность листьев, то в результате затенения их друг другом растения вытянутся, интенсив­ность фотосинтеза уменьшится. Вот почему дальнейшее улучшение снабжения расте­ний водой и элементами мине­рального питания неэффек­тивно.

В чем же выход из создав­шегося положения? Ученые по­лагают, что в выведении но­вых сортов культурных расте­ний, отличающихся выгодным строением тела. В частности, они должны иметь компактную низкорослую крону, с верти­кально ориентированными листьями, обладать крупными запасающими (луковицы, клуб­ни, корни, корневища) и репро­дуктивными (семена, плоды) органами.

На повышение плодородия почвы и улучшение водоснаб­жения эти сорта будут реаги­ровать усилением интенсив­ности фотосинтеза, умеренным потреблением продуктов фо­тосинтеза (ассимилятов), на рост листьев и других вегета­тивных органов, а также активным использованием ас­симилятов на формирование репродуктивных и запасающих органов.