Фотосинтез - проще простого

Содержание

1. Ведение................................................. 3

2. Ошибка Ван-Гельмонта.................................. 3

3. Самое интересное из веществ во всем органическом мире...... 6

4. Красный цвет тАФ символ созидания......................... 7

5. О чем поведали меченые атомы!........................... 9

6. Зеленая электростанция................................. 10

7. Фотосинтез и урожай.................................... 13

8. ВлЧародейкою зимою околдован, лес стоит..В»............... 16

9. Леса тАФ легкие планеты!................................. 17

10. ВлЛес, точно терем расписной, лиловый, золотой, багряный..В» 20

11. Радуга флоры........................................ 23

12. Зеленые животные тАФ реальность или фантазия!.......... 26

13. Заключение.......................................... 30

14. Список использованных источников.................... 30

Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. УдаряВнясь об него, он потух, перестал быть светом, но не исчез.. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нерВнвы.. Этот луч солнца согревает нас. Он привоВндит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу.

Растение из воздуха образует органическое вещество, из солнечного луча тАФ запас силы. Оно представляет нам именно ту машину, которую обещают в будущем Мушо и Эриксон, тАФ машину, действующую даровою силою солнца. Этим объясВнняется прибыльность труда земледельца: затратив сравнительно небольшое количество вещества, удобрений, он получает большие массы органичесВнкого вещества; затратив немного силы, он получает громадный запас силы в виде топлива и пищи. Сельский хозяин сжигает лес, стравливает луг, продает хлеб, и они снова возвращаются к нему в виде воздуха, который при действии солнечного луча вновь принимает форму леса, луга, хлеба. При содействии растения он превращает не имеюВнщие цены воздух и свет в ценности. Он торгует воздухом и светом.

В старые времена врач обяВнзан был знать ботанику, ведь многие лекарственные средстВнва готовились из растений. Неудивительно, что лекари неВнредко выращивали растения, проводили с ними различные опыты.

Так, голландец Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579тАФ1644) не только занимался врачебной практикой, но и экспериментиВнровал с растениями. Он решил узнать, благодаря чему растет растение. С животными и чеВнловеком вроде бы все ясно: поедая корм или пищу, они получают вещества, благодаВнря которым увеличиваются в размерах. Но за счет чего крошечное семя, лишенное рта, превращается в огромВнное дерево?

Чтобы ответить на этот вопрос, Ван-Гельмонт продеВнлал 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 дожВндевой водой. По прошествии этого времени Ван-Гельмонт извлек деревце, тщательно очистил корни от прилипших частиц почвы и взвесил содерВнжимое кадки и растение. Оказалось, что масса почвы уменьшилась всего на 57 грамВнмов, а вот масса ивы возросла почти на 75 килограммов. Результат эксперимента исВнследователь объяснил исклюВнчительно поглощением воды. Так возникла водная теория питания растений.

Джозеф Пристли (1733тАФ 1804) тАФ известный английВнский ученый-химик. Он открыл кислород, получил хлористый водород, аммиак, фтористый кремний, сернистый газ, окВнсид углерода. Привезенный французом Шарлем Кондамином из Южной Америки кауВнчук Пристли в 1770 году предложил использовать для стирания написанного, назвав его гуммиэластиком. Как хиВнмика Пристли заинтересовал вопрос: почему воздух полей и лесов чище городского? УчеВнный предположил, что растеВнния очищают его от веществ, выделяемых людьми при дыВнхании, а также дымящимися трубами заводов и фабрик. С целью проверки своего предположения он посадил под стеклянный колпак мышь. Довольно быстро животное погибло. Тогда эксперименВнтатор поместил под такой же колпак другую мышь, но уже вместе с веткой мяты. ВлЭто было сделано в начале авгусВнта 1771 года. Через восемь-девять дней я нашел, что мышь прекрасно могла жить в той части воздуха, в которой росла ветка мяты. Побег мяВнты вырос почти на три дюйма..В»[1]
.

Опыт заинтересовал ученых, многие повторили его в своих лабораториях, однако резульВнтаты получались неодинакоВнвые: в одних случаях растеВнния действительно очищали воздух и делали его пригодВнным для дыхания мыши, в других тАФ этого не наблюВндалось. Надо сказать, что сам Пристли при повторении опыВнтов получил противоречивые результаты. Установить истиВнну ученый уже не смог, так как консервативно настроенВнные англичане разгромили его прекрасно оборудованную лаВнбораторию и богатую библиоВнтеку за сочувствие их влаВндельца идеям французской реВнволюции. Пристли оставил научную работу и эмигрироВнвал в США.

В другой своей работе ВлСлово о слоях земныхВ» он высказался о воздушном пиВнтании растений еще более определенно: ВлОткуда же ноВнвый сок сосны собирается и умножает их возраст, о том не будет спрашивать, кто знает, что многочисленные иглы нечувствительными скваВнжинами почерпают в себя с воздуха жирную влагу, коВнторая тончайшими жилками по всему растению расходится и разделяется, обращаясь в его пищу и телоВ». ВлНечувстВнвительные скважиныВ» тАФ это не что иное, как устьица, хороВншо известные каждому из школьного учебника ботаники.

К сожалению, мысли, выВнсказанные великим ЛомоносоВнвым, остались неизвестными научным кругам. А вот идею Пристли об очищении воздуВнха поддержали не только учеВнные, она стала популярна даВнже в народе. Результатом явиВнлось массовое разведение цвеВнтов в помещениях, где нахоВндились больные. При этом двери обычно держали плотно закрытыми, дабы ВлвредныйВ» наружный воздух не мог проВнникнуть в комнату.

Голландский врач Ингенгауз (1730тАФ1799) усомнился в правильности такого испольВнзования растении и провел ряд экспериментов с целью проверки действенности этого приема. В результате своих опытов он сделал открытие, что только зеленые части растений могут улучВншать воздух, да и то лишь в том случае, когда они наВнходятся на свету. Все остальВнное тАФ цветки, корни, а также зеленые листья, лишенные света, тАФ воздуха не исправВнляет.

Проделаем такой опыт. Возьмем две банки с водой. В одну нальем воду из-под крана, а в другую тАФ кипячеВнную и охлажденную. При киВнпячении, как известно, удаВнляются газы, растворенные в воде. Затем в каждую банку поместим веточки водного растения элодеи, накроем их воронками, на отростки котоВнрых наденем пробирки, наполВнненные 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 проВнбирку, можно установить, что это кислород: внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхивает. В банке с кипяченой водой, где нет углеВнкислого газа, веточки элодеи кислорода не выделяют.

Попробуем доказать, что все дело именно в углекисВнлом, а не в каком-то ином газе, удаленном при кипячеВннии. Для этого пропустим чеВнрез кипяченую воду углекисВнлый газ, и вскоре веточки элодеи станут выделять кисВнлород.

Швейцарский естествоиспыВнтатель Жан Сенебье (1742тАФ 1809) первым установил необВнходимость углекислого газа как источника углерода для зеленых растений. Он же предВнложил термин Влфизиология раВнстенийВ» и в 1880 году написал первый учебник по этой дисВнциплине.

Его соотечественник естестВнвоиспытатель Никола Теодор Соссюр (1767тАФ1845) работал в области физики, химии и геологии. Однако мировую изВнвестность приобрел благодаря трудам в области физиологии растений. С помощью точных методов количественного хиВнмического анализа он убедиВнтельно доказал, что растения на свету усваивают углерод из углекислого газа, выдеВнляя при этом кислород. УчеВнный также установил, что расВнтения, как и животные, дыВншат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.

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

бСО₂ + 6Н₂О Во С₆Н₁₂О₆ + 6О₂Вн

Термин ВлфотосинтезВ» был предложен в 1877 году извеВнстным немецким физиологом растений Вильгельмом Пфеффером (1845тАФ1920). В ходе этого процесса солнечная энергия преобразуется в энерВнгию химических связей оргаВннических соединений.

Так назвал хлорофилл велиВнкий Чарльз Дарвин, когда наш соотечественник Климент Аркадьевич Тимирязев расВнсказал ему о своих опытах с этим веществом. В то время, когда химическая природа процесса фотосинтеза предВнставлялась весьма туманной, подобное утверждение было весьма ценным, поскольку привлекало внимание ученых к новой очень перспективной проблеме. А сам термин ВлхлоВнрофиллВ» был предложен в 1818 году французскими химиВнками П. Пельтье и Ж. Каванту. Он образован из гречесВнких слов ВлхлоросВ» тАФ зеленый и ВлфиллонВ» тАФ лист.

Выделить хлорофилл из листа несложно. Для этого измельчим листья любого расВнтения ножницами, поместим в ступку, прильем немного спирВнта, разотрем и отфильтруем в чистую сухую пробирку. Если у вас нет под рукой ступки, кусочки листьев помеВнстите в небольшую колбочку, влейте спирт и осторожно нагрейте на спиртовке. Очень быстро спирт окрасится в изумрудно-зеленый цвет из-за присутствия хлорофилла.

А теперь познакомимся с некоторыми свойствами этого пигмента. Поместите за проВнбиркой черную бумагу или каВнкой-то темный предмет и наВнправьте 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 флуоресценВнции хлорофилла? Кванты свеВнта падают на его молекулы, находящиеся в растворе, и вызывают их возбуждение. При этом электрон молекулы пигмента переходит на более высокий энергетический уроВнвень. В растворе, в отличие от зеленого листа, энергия возбужденного электрона не расходуется на синтез органиВнческих веществ, поэтому этот электрон возвращается на прежний энергетический уроВнвень, а избыток энергии испускается в виде квантов красного света. Видимый свет, как известно, состоит из разВнных лучей: фиолетовых, синих, голубых, зеленых, желтых, оранжевых, красных. Их окраска зависит от длины волВнны, которая увеличивается по направлению от синих к красВнным лучам солнечного спектВнра. А вот величина квантов и их энергетический потенВнциал изменяются при этом в противоположном направлеВннии: кванты синих лучей знаВнчительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлороВнфилла, часть энергии кванВнтов рассеивается в виде тепВнла, поэтому отраженные кванВнты несут меньший запас энерВнгии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Вот почему мы видим красное свечение при освеВнщении хлорофилла белым светом, то есть совокупностью разных лучей солнечного спектра.

Любопытно в связи с этим отметить, что на прекрасных фресках гениального Андрея Рублева мы часто видим соВнчетание зеленого с красным: в складках зеленой одежды как бы скрываются красные отВнсветы.

Если вы имеете спектроВнскоп тАФ несложный школьный прибор, в котором при помоВнщи призмы видимый свет разВнлагается на составные компоВнненты, тАФ то можно изучить спектр поглощения хлорофилВнла. Приложите пробирку с раствором хлорофилла к щели спектроскопа и загляните в окуляр, вы увидите мощную темную полосу поглощения в красной части спектра и меВннее выраженную в синей. Итак, хлорофилл поглощает красные и синие лучи спектра. А вот зеленые, беспрепятстВнвенно проходя через его растВнвор, сообщают ему свою окраску.

Отчего зависит зеленая окраска пигмента? Добавим в пробирку с вытяжкой хлороВнфилла несколько капель слаВнбой 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 вытесВнняется из нее атомами водоВнрода соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет зеленую окраску пигмента.

Теперь в ту же пробирку добавим небольшое количестВнво ацетата меди или ацетаВнта цинка и подогреем содерВнжимое пробирки на спирВнтовке. Едва жидкость закиВнпит, окраска раствора резко изменится тАФ вместо оливково-бурой она вновь станет изумВнрудно-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 добавВнлении ацетата меди или ацеВнтата цинка и нагревании выВнтесняются атомами меди или цинка. Происходит восстановВнление металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска хлорофилла опредеВнляется наличием в нем атоВнма металла вне зависимости от того, будет ли это магВнний, медь или цинк.

Если солнечный спектр, котоВнрый мы наблюдаем в спектВнроскопе, спроектировать на экран, то можно изучать скоВнрость фотосинтеза в разных лучах тАФ синих, желтых, зелеВнных, красных.

Впервые интенсивность фоВнтосинтеза в различных лучах спектра исследовал физик В. Добени. В 1836 году он сделал очень важное открыВнтие: зеленый лист может осуВнществлять фотосинтез в отВндельных лучах спектра, причем в зависимости от харакВнтера лучей он идет с неодиВннаковой скоростью. Но вот на вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее интенсивВнно, В. Добени ответил неВнправильно. И виной тому меВнтодические погрешности при проведении эксперимента. Во-первых, ученый получал те или иные лучи, пропуская солнечный свет через цветВнные стекла или окрашенные растворы. Во-вторых, он приВнменял очень примитивный меВнтод учета интенсивности фотоВнсинтеза. Ученый поместил отрезок побега водного растеВнния элодеи в пробирку с воВндой срезом вверх и считал, сколько пузырьков кислорода отрывается с поверхности среВнза за единицу времени. Добени пришел к выводу, что интенВнсивность фотосинтеза пропорВнциональна яркости света, а наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Этой же точки зрения приВндерживались Джон Дрепер (1811тАФ1882) и физиологи расВнтений Ю. Сакс и В. Пфеффер. В 1846 году Дрепер изучал интенсивность фотоВнсинтеза в различных лучах спектра, испускаемых спектроВнскопом, и пришел к тому же заключению, что и Добени.

Между тем утверждение противоречило закону сохраВннения энергии. Ведь желтые лучи, как мы уже знаем, незначительно поглощаются хлорофиллом. Могут ли они быть главной движущей силой процесса фотосинтеза?

Такова была обстановка в области изучения фотосинтеВнза, когда к исследованиям в этой области приступил К. А. Тимирязев. Будучи посВнледовательным материалисВнтом, он утверждал, что яркость лучей зависит от субъективВнного восприятия света глазом (синие лучи кажутся нам неяркими, а желтые наоборот) и потому не может опредеВнлять интенсивность усвоения углекислого газа зелеными растениями. Наиболее деяВнтельными в процессе фотоВнсинтеза могут быть только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом. Главной причиВнной ошибки Дрепера он счиВнтал недостаточную чистоту отдельных участков спектра, возникшую из-за широко открытой щели спектроскопа. Увеличивать же щель спектВнроскопа приходилось для усиВнления интенсивности световоВнго потока, иначе фотосинтез с помощью примитивных меВнтодов не обнаруживался. Для того чтобы иметь возможность работать с узкой щелью спектроскопа, необходимо быВнло создать принципиально новые, значительно более чувствительные методы учета скорости этого процесса. Сконструированные К. А. ТиВнмирязевым приборы позволяВнли резко повысить точность исследований. В восьмидесятых годах прошлого столетия химик Пьер Эжен Марсель Вертело говорил К. А. ТимиВнрязеву, что каждый раз он привозит в Париж новый меВнтод анализа газов, в тысячу раз более усовершенствованВнный. С помощью этой аппараВнтуры К. А. Тимирязев убедиВнтельно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, котоВнрые, как уже отмечалось, инВнтенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направлеВннию к зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза осВнлабевает. В зеленых лучах она минимальная. И это вполне понятно: ведь они хлорофилВнлом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части наблюдается новый подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, Тимирязев установил, что максимум усвоения листом углекислого газа совпадает с максимумом поглощения света хлорофилВнлом. Иными словами, он вперВнвые экспериментально докаВнзал, что закон сохранения энергии справедлив и по отноВншению к фотосинтезу. ЗелеВнный цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к поглоВнщению именно тех лучей солВннечного спектра, энергия котоВнрых наиболее полно используВнется в ходе фотосинтеза.

Современная наука подВнтвердила правильность взгляВндов К. А. Тимирязева относиВнтельно исключительной важВнности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэфВнфициент использования красВнного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом.

Красные лучи, по представВнлениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни. В статье-притче ВлКрасное знамяВ», написанной им в июне 1917 года, читаем: ВлЕсли красный цвет является фактиВнческим признаком, выражеВннием работоспособности света в творческом процессе созидаВнния жизни, то не следует ли признать его самой подходяВнщей эмблемой, выражением работоспособности света знаВнния, света науки?В». Интересно в связи с этим отметить, что в государстве древних инков Тауантинсуйю красный цвет почитался свяВнщенным.

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

Вещества, имеющие раВндиоактивную метку, по химиВнческим свойствам практически не отличаются от обычных. Однако наличие радиоактивВнного атома позволяет проВнследить за судьбой молекулы, ее превращениями в другие соединения, ведь излучение, испускаемое меткой в ходе распада, может быть легко измерено с помощью приВнборов. М. Кальвин при изучении реакций фотосинтеза испольВнзовал также метод хроматографического разделения смеВнси соединений. Если каплю раствора, содержащего смесь разных молекул, нанести на хроматографическую бумагу, а конец ее поместить в соотВнветствующий растворитель, то вещества придут в движение и каждое займет особую зоВнну на хроматограмме. С поВнмощью приборов легко можно найти места расположения радиоактивных соединений, перевести их в раствор и определить химическую приВнроду. С помощью этого метода удалось выяснить, какие веВнщества и в какой последоВнвательности образуются в зеВнленом листе на свету после введения меченого углекислоВнго газа.

М. Кальвин избрал в качеВнстве объекта исследования зеВнленую водоросль хлореллу. После кратковременного освеВнщения в присутствии радиоВнактивного углекислого газа ее быстро убивали (фиксироваВнли) горячим спиртом, чтобы приостановить протекающие в ней реакции. Затем спиртовую вытяжку концентрировали, разделяли на хроматограмме и проводили анализ на содерВнжание различных радиоактивВнных соединений.

Достаточно пяти секунд преВнбывания в атмосфере углекисВнлого газа, чтобы меченый углерод этого соединения окаВнзывался в трехуглеродном орВнганическом веществе под наВнзванием фосфоглицериновая кислота. Как оно образоваВнлось? Кальвин предположил, что углекислый газ присоедиВнняется к некоему пятиуглеродВнному соединению. В результаВнте возникает шестиуглеродное соединение, которое по причиВнне своей нестойкости на хроматограммах не обнаружиВнвается. Оно, едва возникнув, тотчас же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Предположение М. КальвиВнна подтвердилось тАФ углекисВнлый газ действительно присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат.

Работы М Кальвина по выяснению сущности темпоВнвых реакций фотосинтеза тАФ крупнейшее достижение соВнвременной физиологии растеВнний. В 1961 году он был удостоен Нобелевской премии.

Существует еще один путь использования человеком солВннечной энергии, усвоенной растениями, тАФ непосредственВнная трансформация световой энергии в электрическую.

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

М. Кальвин, работы котороВнго мы уже неоднократно упоВнминали, в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источВнника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать элекВнтроны от каких-то определенВнных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контакВнтирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратВнный сантиметр. Этот фотоВнэлемент функционировал сравВннительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял споВнсобность отдавать электроны.

Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов тАФ гидроВнхинон. В новой системе зелеВнный пигмент отдавал не тольВнко свои, но и электроны гидВнрохинона. Расчеты показыВнвают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метВнров может обладать мощВнностью около киловатта.

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. ТранзисторВнный приемник, к которому быВнла присоединена солнечная баВнтарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии провоВндятся исследования по преВнобразованию солнечной энерВнгии в электрическую с поВнмощью цианобактерий, выраВнщенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксиВнда цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теВнперь 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 угВнлеродных атомов. Он похож на родопсин тАФ пигмент сетВнчатки глаза позвоночных жиВнвотных, что и определило его название. Белковая часть роВндопсина представлена полипептидной цепью умеренной длины, состоящей из 248 амиВннокислотных остатков, послеВндовательность расположения которых в молекуле выяснена учеными. Большой вклад в исследование структуры бактериородопсина внесли советВнские ученые, работавшие под руководством академика Ю. А. Овчинникова.

В конце 1973 года в АН СССР был разработан проект сравнительного изучения жиВнвотного и бактериального пигВнментов, получивший название ВлРодопсинВ». В 1978 году журВннал ВлБиоорганическая химияВ» опубликовал статью, в котоВнрой излагалась последоваВнтельность расположения амиВннокислот в молекуле бактериородопсина. Лишь через год подобная работа была заверВншена в США под руководВнством известного биохимика Г. Кораны.

Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий при недостатке кислорода. ДеВнфицит же кислорода в водоеВнмах возникает в случае инВнтенсивного развития галобакВнтерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваиВнвают энергию Солнца, комВнпенсируя тем самым возникВнший в результате прекращеВнния дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин можно выВнделить из галобактерий, помесВнтив эти соелюбивые создаВнния, 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 тольВнко мембраны, содержащие бакВнтериородопсин, не разрушаютВнся из-за прочной ВлупаковкиВ» молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, учеВнные назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединеВнны в триады, а триады тАФ в правильные шестиугольники.

Поскольку бляшки значиВнтельно крупнее всех других компонентов галобактерий, их нетрудно выделить путем ценВнтрифугирования. После проВнмывки центрифугата получаВнется пастообразная масса фиВнолетового цвета. На 75 % она состоит из бактеВнриородопсина и на 25 тАФ из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами. Фосфолипиды тАФ это молекулы жиров в соедиВннении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментироВнвания с бактериородопсином. К тому же это сложное соедиВннение очень устойчиво к факВнторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100 В°С и может храниться в холодильнике гоВндами. Бактериородопсин усВнтойчив к кислотам и различВнным окислителям. Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти гало-бактерии обитают в чрезвыВнчайно суровых условиях тАФ в насыщенных солевых раствоВнрах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных троВнпическим зноем пустынь. В таВнкой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, суВнществовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энеВнргии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальВнция бактериородопсин освеВнтить, то с помощью вольтВнметра можно обнаружить наличие электрического потенВнциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые докаВнзали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тоВнка.

В лаборатории известного советского ученого, специаВнлиста в области биоэнергетиВнки В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраВнивания бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в каВнчестве светозависимого генеВнратора электрического тока.

Позднее в этой же лабораВнтории были созданы электриВнческие элементы, в которых использовались белковые геВннераторы электрического тока. В этих элементах имелись мембранные фильтры, пропиВнтанные фосфолипидами с бакВнтериородопсином и хлорофилВнлом. Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут слуВнжить в качестве электричесВнкой батареи.

Исследования по прикладВнному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории члена-корреспонВндента АН СССР В. П. СкулаВнчева. привлекли к себе присВнтальное внимание ученых. В Калифорнийском универсиВнтете создали такую же батаВнрею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла свеВнтиться электрическую лампочВнку. Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоВнэлементы на основе бактериоВнродопсина и хлорофилла найВндут применение в качестве генераторов электрической энергии. Проведенные опыВнты тАФ первый этап в создании новых видов фотоэлектричесВнких и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью.

Жизнь современного человека немыслима без выращивания различных культурных растеВнний. Органические вещества, образуемые ими в ходе фотоВнсинтеза, служат основой питаВнния человека, производства лекарств, они нужны для изВнготовления бумаги, мебели, строительных материалов и т. п.

Культурные растения споВнсобны быстро размножаться, покрывать зеленым экраном своей листвы громадные плоВнщади, улавливать колоссальВнное количество солнечной энергии и образовывать велиВнкое множество разнообразных органических веществ. В реВнзультате фотосинтеза создаетВнся 95 % сухого веВнщества растений. Поэтому мы с полным правом можем утВнверждать, что управление этим процессом один из наиболее эффективных путей воздействия на продуктивВнность растении, на их урожай. Физиологи растений соверВншенно правильно считают, что основная задача работ в области фотосинтеза тАФ сохраВннение и поддержание на более высоком уровне фотосинтетиВнческой деятельности естестВнвенной растительности Земли, максимальное повышение фоВнтосинтетической продуктивВнности культурных растений.

Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

Часто сдерживающим факВнтором фотосинтеза является недостаток углекислого газа. Обычно в воздухе присутствуВнет около 0,03 % СО₂. Однако над интенсивно фотосинтезирующим полем его соВндержание уменьшается иногда в три-четыре раза по сравнеВннию 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 300тАФ400 килограммов углекислого газа. Такое колиВнчество содержится в колосВнсальном объеме воздуха.

Опыты известного отечестВнвенного физиолога растений В. Н. Любименко показали. что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 % приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотоВнсинтеза. Таким образом, один из путей повышения продукВнтивности фотосинтеза тАФ увеВнличение концентрации углекисВнлого газа в воздухе.

Современный уровень техВннологии, в целом, позволяет решить эту задачу в глобальВнных масштабах. Однако весьВнма сомнительно, чтобы челоВнвек решился на практике осуВнществить этот проект. Дело в том, что более высокий уровень содержания углекисВнлого газа в воздухе приведет к изменению теплового баланВнса планеты, к ее перегреву вследствие так называемого Влпарникового эффектаВ». ВлПарВнниковый эффектВ» обусловлен тем, что при наличии большого количества углекислого газа атмосфера начинает сильнее задерживать испускаемые поВнверхностью Земли тепловые лучи.

Перегрев планеты может привести к таянию льдов в полярных областях и в высоВнкогорьях, к поднятию уровня Мирового океана, к сокращеВннию площади суши, в том числе занятой культурной расВнтительностью. Если учесть, что население Земли увеличиВнвается еженедельно на 1 милВнлион 400 тысяч человек, то понятна крайняя нежелательВнность таких изменений.

Человечество весьма обеВнспокоено естественным ростом концентрации углекислого гаВнза в атмосфере, наблюдаемым в последние годы в результате интенсивного развития проВнмышленности, автомобильноВнго, железнодорожного и авиаВнционного транспорта. Поэтому оно едва ли решится когда-либо сознательно стимулироВнвать этот процесс в глобальВнных масштабах.

В теплицах и на поле увеВнличение содержания углекисВнлого газа имеет важное знаВнчение для повышения урожайВнности культурных растений. С этой целью в теплицах сжиВнгают опилки, раскладывают сухой лед на стеллажах, выВнпускают углекислый газ из баллонов. Основной способ повышения концентрации СО₂ над полем тАФ активизация жизнедеятельности почвенных микроорганизмов путем внесеВнния 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 гаВнзом.

Другой путь преодоления отрицательного влияния низВнкой концентрации углекислого газа в атмосфере на урожай тАФ распространение таких форм растений, которые очень интенВнсивно фотосинтезируют даже при ничтожно малом его содерВнжании. Это тАФ С₄ тАФ растения. У них рекордные показатеВнли интенсивности фотосинтеза.

Распространение таких растеВнний, дальнейшее изучение осоВнбенностей их фотосинтеза представляется весьма нужВнным и перспективным.

Растительность земного шаВнра довольно неэффективно исВнпользует солнечную энергию. Коэффициент полезного дейВнствия у большинства дикорасВнтущих растений составляет всего 0,2 %, у культурВнных он равен в среднем одноВнму %. При оптимальВнном снабжении культурных растений водой, минеральныВнми солями коэффициент поВнлезного использования света повышается до четырех тАФ шести %. ТеоретичесВнки же возможен КПД, равный восьмитАФдесяти %. Сопоставление приведенных цифр говорит о больших возВнможностях в увеличении фоВнтосинтетической продуктивВнности растений. Однако пракВнтическая их реализация встреВнчает большие трудности.

Повысить эффективность использования солнечной энерВнгии в ходе фотосинтеза можно, расположив растения на оптиВнмальном расстоянии друг от друга. В изреженных посевах значительная часть света проВнпадет зря, а вот в загущенВнных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветВнра. В том и другом случае происходит снижение урожая. Вот почему очень важно выбрать для каждой культуры наиболее оптимальное расВнстояние. При этом следует учиВнтывать, что оптимальная плотВнность посевов может быть разВнличной в зависимости от обесВнпеченности растений водой, элементами минерального пиВнтания и от их особенностей. К сожалению, многие агроноВнмы не принимают во внимаВнние названные факторы, поВнэтому так медленно растет продуктивность наших полей. Наиболее часто растения неВнэффективно фотосинтезируют из-за недостатка воды и элеВнментов минерального питания. Если улучшить условия водоВнснабжения и питания, то разВнмеры листовой поверхности увеличатся, а между ними и величиной урожая обычно суВнществует прямая зависимость. Однако существует некотоВнрый предел роста эффективВнности фотосинтеза, когда дальнейшее улучшение водоВнснабжения и минерального питания не дает результатов. Дело в том, что при определенном размере листовой поВнверхности (обычно, когда на 1 квадратный метр посевов приходится четыре-пять квадВнратных метров листьев) расВнтения поглощают практически всю энергию света. Если же на единицу площади поля приВнходится еще большая поверхВнность листьев, то в результате затенения их друг другом растения вытянутся, интенсивВнность фотосинтеза уменьшится. Вот почему дальнейшее улучшение снабжения растеВнний водой и элементами минеВнрального питания неэффекВнтивно.

В чем же выход из создавВншегося положения? Ученые поВнлагают, что в выведении ноВнвых сортов культурных растеВнний, отличающихся выгодным строением тела. В частности, они должны иметь компактную низкорослую крону, с вертиВнкально ориентированными листьями, обладать крупными запасающими (луковицы, клубВнни, корни, корневища) и репроВндуктивными (семена, плоды) органами.

На повышение плодородия почвы и улучшение водоснабВнжения эти сорта будут реагиВнровать усилением интенсивВнности фотосинтеза, умеренным потреблением продуктов фоВнтосинтеза (ассимилятов), на рост листьев и других вегетаВнтивных органов, а также активным использованием асВнсимилятов на формирование репродуктивных и запасающих органов.

Вот какие жесткие требоВнвания предъявляются теперь к науке, занимающейся выведеВннием новых сортов культурных растений, тАФ селекции. Из скаВнзанного ясно, что без тесного сотрудничества селекционеров с физиологами растений создаВнние перспективных сортов стаВнновится практически невозВнможным.

Селекционеры вывели сорВнта, отвечающие современным требованиям. Среди них тАФ низкорослый рис, созданный в Международном институте риВнса в Маниле, хлопчатник Дуплекс, с вертикально ориенВнтированными листьями, не заВнтеняющими друг друга, карлиВнковая пшеница мексиканской селекции. Эти сорта на фонах высокого плодородия дают в полтора раза более высокие урожаи, чем их предшественВнники. Однако это лишь один из путей увеличения фотосинВнтетической продуктивности растен

Вместе с этим смотрят:

G-белки и их функция

Австралопитеки - обезьянолюди или человекообезьяны?

Адаптация микроорганизмов в экстремальных условиях космоса

Адвентивна флора Чернiгiвськоi областi: iсторiя формування та сучасний стан

Адсорбция ионных и неионных поверхностно-активных веществ (ПАВ)