Чтение онлайн

Эта проблема привлекает внимание ученых с давних пор. Первым высказал свои соображения на сей счет великий русский ученый М. В. Ломоносов в 1753 году. В работе «Слово о явлениях воздушных» он писал: «Преизобильное ращение тучных дерев, которые на бесплодном песку корень свой укрепили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук из воздуха впитывает в себя… Из бессочного песку столько смоляной материи получить не возможно». Значит, из воздуха! И тут же Ломоносов в подтверждение своей мысли рассказывает о питании сосны, иглы которой черпают из воздуха вещества, превращающиеся в пищу и тело этого растения. Но одного воздуха мало, думает Ломоносов, и опять-таки первым среди ученых говорит о роли солнечного света в питании растений.

Гениальные догадки, но только догадки! Нужны были опыты, чтобы точно установить, чем и как «кормятся» растения. Теперь, через 200 лет после М. В. Ломоносова, мы это знаем вполне определенно. А тогда поиск только начинался.

Итак, в 1772 году английский ученый Джозеф Пристли установил, что побег мяты «исправляет» воздух, испорченный горящей свечой. Он проделал серию опытов. Под стеклянный колпак помещал горящую свечу, которая неизменно через некоторое время гасла. Вместе с горящей свечой под колпак сажал мышь, и тогда не только огонь угасал, но и мышь погибала. Однако стоило поместить под колпак ветку мяты, и свеча продолжала гореть, мышь оставалась живой. Пристли сделал вывод, что мята «исправляет» испорченный воздух. Правда, ученый, делая свои опыты днем, не смог предположить, что без солнечного света из этого опыта ничего не выйдет. Это существенное обстоятельство несколько лет спустя (в 1779 году) выяснил его соотечественник Ян Ингенгаузен. Он установил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только при солнечном освещении, причем оказалось, что способность растений «исправлять» воздух пропорциональна ясности дня и длительности выдерживания растений на свету. В темноте же растения выделяют воздух, «вредный для животных». Позже было установлено, что «исправляют» воздух только листья и зеленые стебли растений, а цветы, плоды и корни «делают воздух губительный для животных».

Первые глубоконаучные исследования процесса фотосинтеза (от лат. слова фото — свет) были произведены русским ученым К. А. Тимирязевым. Он вскрыл материалистическую природу фотосинтеза, доказал приложимость к нему закона сохранения энергии и опроверг идеалистическое представление о наличии особой жизненной силы у растений. К. А. Тимирязев установил, что в хлорофилле зеленых листьев растений световая энергия превращается в химическую. С помощью специальных приборов он определил, какие лучи солнечного спектра больше всего участвуют в фотосинтезе, вычислил общий процент поглощения солнечной энергии зелеными растениями на Земле: всего лишь 3 процента, то есть одну двухсотмиллионную долю от общего количества солнечной энергии, излучаемой в мировое пространство, потребляют растения. За способность улавливать солнечный свет К. А. Тимирязев назвал зеленые растения посредниками между небом и землей. Он писал: «Растения — истинный Прометей, похитивший огонь с неба. Поглощенный ими луч солнца горит в едва мерцающей лучине и в ослепительной искорке электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик гигантской паровой машины, и кисть художника, и перо поэта».

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

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

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

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

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

Итак, как же протекает фотосинтез?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В процессе фотосинтеза органических веществ зеленые растения очищают воздух от углекислого газа и одновременно обогащают его кислородом. Поэтому зеленые растения создают условия для жизни всех живых организмов, в том числе и для себя, так как они тоже дышат кислородом. Чем интенсивнее осуществляется фотосинтез, тем быстрее атмосфера очищается от СО2 и обогащается О2. Поэтому в промышленных городах рекомендуется как можно больше разводить зеленых насаждений.

Исходя из этой неоценимой особенности зеленых растений, К. Э. Циолковский писал, что на космических кораблях, отправляющихся в длительное межпланетное путешествие, необходимо создавать оранжереи.

В наши дни мечты К. Э. Циолковского воплощаются в действительность; в космических кораблях испытывается хлорелла и другие водоросли. Известно, что один кубический метр культуры хлореллы может обеспечить почти суточную потребность человека в кислороде. Кроме того, один литр хлореллы может поглощать до девяти литров углекислого газа в сутки. Таким образом, аквариум с водорослями в космическом корабле может обеспечить космонавтов кислородом и калорийной пищей. В настоящее время вопросами использования водорослей в длительных межпланетных путешествиях занимаются очень серьезно и всесторонне.