Основні компоненти біосфери та обмін енергією, органічними і мінеральними речовинами

На малюнку показано найголовніші “живі” складові біосфери (у великих прямокутниках), хімічні речовини (в еліпсах) і джерело енергії (Сонце). Штрихові лінії дають уявлення про напрям обміну енергією, тонкі суцільні мінеральними речовинами, а товсті стрілки — органічною речовиною. Основним процесом, що веде до утворення нової органічної речовини на основі поглинання сонячного проміння, є фотосинтез. Як зазначалося, існує і хемосинтез. Він є вельми цікавим процесом і вартий уваги бодай тому, що у розвитку живої речовини міг з'явитися задовго до появи фотосинтезу, але його сучасні можливості у накопиченні енергії дуже поступаються фотосинтезу. Останній є головною “енергетичною станцією” життя на Землі, тому розглянемо його докладніше.

Відомо, що речовиною, яка відіграє головну роль у поглинанні енергії видимих променів Сонця, є хлорофіл. Менш відомий той факт, що є кілька варіантів цієї надважливої молекули, а тому колір частин клітин, що їх містять, не завжди зелений. Навіть зелених хлорофілів є два, які трохи різняться характеристиками поглинання світла (втім, обидва поглинають червоні і блакитні фотони, добре відбиваючи зелені). Центральне місце у досить великих молекулах хлорофілу займає атом магнію. За будовою вони навіть схожі на гемоглобін, але центральним у ньому, як відомо, є атом заліза.

Поглинута енергія фотонів у складному й багатоступінчастому процесі витрачається на розщеплення молекул води Н2О і вуглекислого газу СО2 і на подальшу побудову з їхніх фрагментів глюкози С6Н12О6 та інших органічних молекул (глюкозу взято як типовий приклад органічного синтезу в рослинах).

Сумарне рівняння цього процесу записують так:

Для утворення одного моля (нагадаємо, що йдеться про таку кількість речовини, яка містить 6,23 * 10^23 молекул) глюкози масою 180 г необхідно 264 г вуглекислого газу, 108 г води і 674 ккал енергії фотонів (21 % добової енергетичної потреби середнього землянина чоловічої статі).

Оскільки у кожний певний момент рослини на території, яка дещо перевищує половину площі поверхні Землі, мають змогу здійснювати фотосинтез, то за рік його “продукція” (у сухій масі) досягає не менш як 50 млрд т (верхня межа оцінок досягає навіть 250 млрд т). З атмосфери вилучається на 40 % більша маса вуглекислого газу, а маса виділеного кисню майже дорівнює синтезованій рослинами органічній речовині.

Можна захоплюватися грандіозністю всеземних фотосинтетичних явищ, але погляньмо, який коефіцієнт корисної дії (ККД) процесу фотосинтезу і яку частину всього потоку енергії від Сонця “консервують” для споживачів рослини.

Землі досягає усього одна двомільярдна частина загального випромінювання Сонця, але і його потужність перевищує 200 000 млрд кВт (N0). Розподіл потоку енергії Сонця зображено на малюнку (вертикальною стрілкою показано справжні здобутки фотосинтезу!).

Розподіл потоку енергії Сонця

Звичайно, можна дискутувати, що не 0,02 % всього потоку енергії з неба накопичують рослини, а 0,04 % (оцінювання, як вже зазначалося, не абсолютно точне, можливі помилки у 23 рази), але це не змінює основного: всі рослини суходолу та водорості океанів використовують для фотосинтезу менше 0,1 % всього потоку сонячної енергії, який досягає атмосфери Землі.

Яка ж величина ККД самого процесу фотосинтезу? Теоретично аж 32 %!

Насправді ККД полів високоефективних зернових (кукурудза, рис, пшениця тощо) навіть у період найбільшої фотосинтетичної активності не перевищує 3 %. Зрозуміло, середній за рік ККД зернового поля виявиться значно нижчим.

Зниження ККД зумовлюється багатьма причинами. Зокрема, до внутрішніх належить необхідність негайно витрачати трохи менше чверті вловленої енергії фотонів на дихання, мало не втричі більше на роботу тих “помп”, які проганяють крізь його судини і клітини дуже велику кількість води з мінеральними речовинами.

Такою високою є плата за те, що рослини “завоювали” сушу!

Ефективність фотосинтезу, як і маса кінцевого врожаю, лімітується (обмежується) також зовнішніми умовами, насамперед освітленням, температурою, опадами, родючістю ґрунту. Вся історія рослинництва є намаганням землеробів забезпечити рослини передусім необхідною кількістю води та органічними й мінеральними добривами, підвищити до максимуму родючість ниви. Раціонально керувати світлом і теплом вдається лише в теплицях. Останнім часом вчені розвинених країн створили досить складну математичну модель керування і програмування врожаю, застосування якої майже сповна реалізує всі можливості фотосинтезу наземних рослин.

З численних проблем, які розв’язують одночасно багато наук у сфері рослинництва і фотосинтезу, виокремимо дві.

Насамперед ідеться про застосування генної інженерії для конструювання нових рослин чи надання незвичних характеристик існуючим. Час від часу у пресі з’являються сенсаційні фото. Це може бути капуста, яка зростом значно перевищує людину, надкарликовий рис чи пшениця, у якої колос росте мало не від коріння, або щось таке, чого не було в природі. Цей шлях обіцяє у недалекому майбутньому підвищення врожайності завдяки застосуванню принципово нових методів створення нових сортів і видів рослин. Та його можливості обмежені згаданими вище принциповими перепонами.

Значно більшого можна чекати від завершення розшифрування ланцюгів реакцій, які здійснюються під час фотосинтезу, від створення його штучного аналогу на основі синтезованого хлорофілу або ж за рахунок використання принципово інших молекул. Це дасть змогу перетворити пустелі або частину поверхні тропічних морів у місця найвищої у світі біопромисловості, продукцією якої буде їжа та інші необхідні людям органічні речовини.

Вчені вже подолали більшу частину цього нелегкого шляху, але лишилося ще чимало нерозгаданого щодо заключних стадій фотосинтезу.

Дата добавления: 2015-05-24