Между тем утверждение противоречило закону сохра­нения 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 фотосинте­за, когда к исследованиям в этой области приступил К. А. Тимирязев. Будучи пос­ледовательным материалис­том, он утверждал, что яркость лучей зависит от субъектив­ного восприятия света глазом (синие лучи кажутся нам неяркими, а желтые наоборот) и потому не может опреде­лять интенсивность усвоения углекислого газа зелеными растениями. Наиболее дея­тельными в процессе фото­синтеза могут быть только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом. Главной причи­ной ошибки Дрепера он счи­тал недостаточную чистоту отдельных участков спектра, возникшую из-за широко открытой щели спектроскопа. Увеличивать же щель спект­роскопа приходилось для уси­ления интенсивности светово­го потока, иначе фотосинтез с помощью примитивных ме­тодов не обнаруживался. Для того чтобы иметь возможность работать с узкой щелью спектроскопа, необходимо бы­ло создать принципиально новые, значительно более чувствительные методы учета скорости этого процесса. Сконструированные К. А. Ти­мирязевым приборы позволя­ли резко повысить точность исследований. В восьмидесятых годах прошлого столетия химик Пьер Эжен Марсель Вертело говорил К. А. Тими­рязеву, что каждый раз он привозит в Париж новый ме­тод анализа газов, в тысячу раз более усовершенствован­ный. С помощью этой аппара­туры К. А. Тимирязев убеди­тельно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, кото­рые, как уже отмечалось, ин­тенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направле­нию к зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза ос­лабевает. В зеленых лучах она минимальная. И это вполне понятно: ведь они хлорофил­лом 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 хлорофил­лом. Иными словами, он впер­вые экспериментально дока­зал, что закон сохранения энергии справедлив и по отно­шению к фотосинтезу. Зеле­ный цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к погло­щению именно тех лучей сол­нечного спектра, энергия кото­рых наиболее полно использу­ется в ходе фотосинтеза.

Современная наука под­твердила правильность взгля­дов К. А. Тимирязева относи­тельно исключительной важ­ности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэф­фициент использования крас­ного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом.

Красные лучи, по представ­лениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни. В статье-притче «Красное знамя», написанной им в июне 1917 года, читаем: «Если красный цвет является факти­ческим признаком, выраже­нием работоспособности света в творческом процессе созида­ния жизни, то не следует ли признать его самой подходя­щей эмблемой, выражением работоспособности света зна­ния, света науки?». Интересно в связи с этим отметить, что в государстве древних инков Тауантинсуйю красный цвет почитался свя­щенным.

5.О чем поведали меченые атомы!

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

Вещества, имеющие ра­диоактивную метку, по хими­ческим свойствам практически не отличаются от обычных. Однако наличие радиоактив­ного атома позволяет про­следить за судьбой молекулы, ее превращениями в другие соединения, ведь излучение, испускаемое меткой в ходе распада, может быть легко измерено с помощью при­боров. М. Кальвин при изучении реакций фотосинтеза исполь­зовал также метод хроматографического разделения сме­си соединений. Если каплю раствора, содержащего смесь разных молекул, нанести на хроматографическую бумагу, а конец ее поместить в соот­ветствующий растворитель, то вещества придут в движение и каждое займет особую зо­ну на хроматограмме. С по­мощью приборов легко можно найти места расположения радиоактивных соединений, перевести их в раствор и определить химическую при­роду. С помощью этого метода удалось выяснить, какие ве­щества и в какой последо­вательности образуются в зе­леном листе на свету после введения меченого углекисло­го газа.

М. Кальвин избрал в каче­стве объекта исследования зе­леную водоросль хлореллу. После кратковременного осве­щения в присутствии радио­активного углекислого газа ее быстро убивали (фиксирова­ли) горячим спиртом, чтобы приостановить протекающие в ней реакции. Затем спиртовую вытяжку концентрировали, разделяли на хроматограмме и проводили анализ на содер­жание различных радиоактив­ных соединений.

Достаточно пяти секунд пре­бывания в атмосфере углекис­лого газа, чтобы меченый углерод этого соединения ока­зывался в трехуглеродном ор­ганическом веществе под на­званием фосфоглицериновая кислота. Как оно образова­лось? Кальвин предположил, что углекислый газ присоеди­няется к некоему пятиуглерод­ному соединению. В результа­те возникает шестиуглеродное соединение, которое по причи­не своей нестойкости на хроматограммах не обнаружи­вается. Оно, едва возникнув, тотчас же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Предположение М. Кальви­на подтвердилось — углекис­лый газ действительно присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат.

Работы М Кальвина по выяснению сущности темпо­вых реакций фотосинтеза — крупнейшее достижение со­временной физиологии расте­ний. В 1961 году он был удостоен Нобелевской премии.

6.Зеленая электростанция

Существует еще один путь использования человеком сол­нечной энергии, усвоенной растениями, — непосредствен­ная трансформация световой энергии в электрическую.

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?