Роланд Глазер - Биология в новом свете

Итак, мы познакомились с заводной "пружиной" биологического механизма — разложением органических молекул. Теперь пора заняться ведомыми "шестеренками", то есть отдельными процессами преобразования энергии. Прежде всего возникает вопрос: откуда вообще берутся органические молекулы? Как известно, существуют автотрофные ("самопитающиеся") и гетеротрофные организмы. Первые синтезируют для себя питательные вещества сами, вторые используют в качестве пищи другие организмы [6] Автотрофам для их существования достаточно наличия воды, двуокиси углерода, неорганических солей и подходящего источника энергии. В отличие от автотрофов гетеротрофные организмы не способны синтезировать питательные вещества из неорганических соединений. Поэтому гетеротрофы (сюда относятся животные, грибы, многие бактерии) вынуждены жить за счет автотрофов. — Прим. ред. . Автотрофные организмы — это зеленые растения, которые мы выращиваем на окнах; как правило, они не нуждаются для своего роста в органических веществах и вполне довольствуются неорганическими солями.

Откуда же в этом случае берется необходимая для обмена веществ энергия? Мы знаем, что растения развиваются только на свету. Свет представляет собой электромагнитные колебания с широким спектром длин волн или частот. Каждый участок видимой области электромагнитного спектра мы воспринимаем как тот или иной цвет. Видимый спектр охватывает область от темно-красного до фиолетового света. Красному свету соответствует наибольшая длина волны (около 0,8 мкм) и наименьшая частота колебаний, фиолетовому — самая короткая длина волны (0,4 мкм) и самая высокая частота колебаний. Существует также инфракрасное, или тепловое, излучение, лежащее в более длинноволновой области за видимым красным светом, и невидимое ультрафиолетовое излучение, расположенное за фиолетовой областью спектра.

Согласно современным физическим представлениям, электромагнитное излучение можно рассматривать не только как волну, но и как поток мельчайших частиц — фотонов. С позиций квантовой теории длина волны (или частота колебаний), от которой зависит окраска света, обусловлена кинетической энергией фотонов. У синего света, обладающего самой короткой длиной волны, фотоны наиболее богаты энергией, у красного света, имеющего наибольшую длину волны, энергия фотонов самая низкая. Свет и темнота, то есть интенсивность света, которую мы измеряем фотоэлектрическим измерителем освещенности, определяются суммарным потоком энергии, равным произведению энергии кванта на поток квантов.

Видимый свет состоит из качественно различных компонентов, соответствующих разным цветам спектра. Каждый компонент характеризуется своей длиной волны, частотой колебаний или энергией кванта

Какое отношение имеют эти рассуждения к фотосинтезу? Они помогают нам установить связь с термодинамикой, о которой мы говорили в этой главе.

Мы уже знаем, что тепловую энергию можно использовать только в том случае, если существует разность температур. Солнечные батареи, применяющиеся в технике, работают в основном с использованием теплового компонента света, т. е. области, наименее богатой энергией. Солнечные лучи фокусируются в одной точке, в результате выделяется большое количество тепла, которое можно использовать непосредственно или преобразовать в иные виды энергии. Однако в технике существуют и другие преобразователи, солнечной энергии, которые превращают энергию света в электрический ток, минуя теплоту. К ним, например, относятся уже упоминавшиеся фотоэлектрические измерители освещенности.

Растения также используют отнюдь не тепловой компонент солнечного света. Такой принцип преобразования энергии не только рациональнее теплового, он целесообразен еще и потому, что биологические объекты могут нагреваться выше температуры окружающей среды лишь в очень ограниченных пределах. А ведь для эффективного использования тепла необходимы большие разности температур, что, конечно, приведет к разрушению клеток организма. В этом отношении свет с короткой длиной волны, т. е. с высокой энергией квантов, обладает неоспоримыми преимуществами. Такая энергия уже не действует как теплота, не действует просто потому, что температура вещества отражает тепловое движение его молекул и атомов, а кванты с высокой энергией не могут заставить колебаться достаточно быстро эти относительно большие частицы.

Высокочастотный видимый свет способен индуцировать колебания лишь отдельных частей молекул и атомов, например электронов внешней оболочки. Несмотря на это, излучение с большей энергией формально связывают с более высокой температурой. Иногда говорят даже о температуре излучения, подразумевая под этим специфический спектр излучения нагретых тел. Например, в электрических лампочках температура излучения изменяется от температуры красного до температуры белого каления металлической нити.

Хлорофилл не растворен однородно в цитоплазме растительной клетки, а упорядоченно расположен в гранах — субмикроскопических структурах хлоропластов

Живая природа сделала важное изобретение. Она создала хлорофилл, магнийсодержащий хромопротеид, то есть окрашенный белок, который в большое количестве содержится в растениях и обусловливает зеленый цвет листьев. Он поглощает свет в двух интервалах длин волн — наиболее активно в красной области, длина волны 0,68 мкм, и немного хуже — в синей, длина волны 0,44 мкм. Второй пик поглощения света имеет для фотосинтеза решающее значение. Здесь заключена энергия очень высокого "качества", растение отфильтровывает из всего солнечного спектра кванты с такой энергией, которые легче всего использовать.

Как в данном случае происходит процесс преобразования энергии? Мы уже говорили, что свет с высокой энергией вызывает колебания не столько самих молекул, сколько отдельных их частей. Высокая энергия оказывает воздействие только на электроны. Вспомним наши рассуждения о химической энергии и модели атома Бора с его электронными орбитами: каждой электронной орбите соответствует определенный энергетический уровень. При поглощении фотона энергия электрона увеличивается, в результате он переходит на более удаленную от ядра орбиту.

Обычно электрон быстро возвращается в исходное состояние, отдавая при этом "лишнюю энергию" в виде флуоресценции [7] Флуоресценция (от названия минерала "флюорит", у которого впервые была обнаружена флуоресценция, и латинского escent — суффикс, означающий слабое действие) — световое излучение, очень быстро затухающее после окончания возбуждения (время затухания около 10 -8 с). Флуоресценция возникает в результате самопроизвольных переходов возбужденных молекул (атомов) в нормальное состояние. По спектрам флуоресценции можно судить о свойствах молекул. — Прим. ред. . Особенность молекулы хлорофилла и ее белкового окружения в хлоропласте растительной клетки состоит только в том, что свой обратный путь электрон проходит через "машину" обмена веществ, которая забирает и использует энергию, освобождающуюся при переходе электрона в прежнее состояние. Помимо всего прочего, при этом возникает АТФ, аденозинтрифосфат, который уже знаком нам как химический аккумулятор. Синтез глюкозы из углекислого газа воздуха и воды, обычно называемый фотосинтезом, является вторичным процессом, в ходе которого используется химическая энергия образовавшихся молекул АТФ.