АССИМИЛЯЦИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА
Ежегодная ассимиляция углекислого газа на Земле в результате фотосинтеза составляет около 260 млрд. тонн, что эквивалентно 7,8 • 10'° тонн углерода, и это связывание углерода компенсируется выделением практически такого же количества СО2 в результате дыхания нефотосинтезирующих организмов. Количество СО2, вовлекаемого в цикл "фотосинтез—дыхание", составляет около 10% массы углекислого газа в атмосфере, которая в 1980 году была эквивалентна 7,1 • 10" тонн углерода. В то же время до 1860 года атмосфера содержала лишь 6,1 • 10й тонн углерода в виде СО2, и это 15%-ное увеличение СО2 в атмосфере связывают прежде всего с появлением дополнительного источника СО2 вследствие интенсивного сжигания ископаемого топлива, которое эквивалентно в настоящее время 5 • 109 тонн углерода в год и увеличивается в среднем на 4,3% в год.
Необходимо отметить, что значительно большая часть углерода содержится в виде карбонатов в осадочных породах - 5,5 • 1016 тонн, в живых (в основном леса) и отмерших организмах - 3,5 • 1012тонн. В мировом океане содержится в 60 раз больше углерода, чем в атмосфере (3,5 • 1013 тонн), что связано с очень высокой растворимостью СО2 в воде и образованием Н2СО3 и, следовательно, можно было бы предположить, что незначительное дополнительное поступление СО2 в результате сжигания ископаемого топлива, которое составляет менее одного процента в год от содержания углекислого газа в атмосфере, не должно приводить к заметному увеличению содержания СО2 в атмосфере. Однако в действительности лишь в верхних слоях океана, содержащих лишь 1,5% всего углерода, растворенного в воде, обмен углерода с атмосферой осуществляется достаточно быстро (за 6 - 7 лет), тогда как для установления такого равновесия с глубинными слоями океана требуется несколько тысячелетий. Вследствие этого сжигание ископаемого топлива в промышленном масштабе привело к увеличению содержания СО2 в атмосфере с 0,027% (в доиндустриальную эпоху) до 0,034% в настоящее время. Расчеты показывают, что к 2035 году содержание углекислого газа в атмосфере удвоится, то есть будет составлять около 0,06%. Основным последствием этого, как считается, будет глобальное потепление климата, обусловленное так называемым "тепличным эффектом", связанным с тем, что углекислый газ "прозрачен" для основной части солнечного света, но задерживает (поглощает) тепловое (инфракрасное) излучение от нагретой Солнцем поверхности Земли. Увеличение концентрации СО2 в атмосфере в два раза может привести к повышению температуры поверхности Земли на 2 — 3°С, причем оно будет минимальным в тропической зоне и максимальным в высоких широтах (8 - 11°С). Такое повышение температуры вызовет таяние льдов, особенно в Антарктиде, что может привести к повышению уровня моря на 5 м и затоплению значительной части суши. Поэтому возможность глобального потепления климата становится сейчас проблемой всего человечества. Согласно Международной конвенции, принятой в 1992 году, развитые индустриальные страны будут проводить политику ограничения промышленного выброса СО2 в атмосферу, а также защиты и увеличения стоков и резервуаров СО2, то есть растительности. Обсуждается даже вопрос о том, что страны с повышенным выбросом СО2 должны платить компенсацию странам, где потребление С02 превышает его продукцию. В этой связи необходимо отметить, что, согласно оценкам, проведенным российскими учеными, Россию, наряду с северными территориями Канады, но отнести к странам с увеличенным потреблением СО2, что связано главным образом с "отставанием" минерализации органического вещества от фотосинтетической ассимиляции СО2 в условиях переувлажненных почв на фоне невысоких температур в северных областях нашей страны. Интересно отметить мнение академика А.Л. Яншина о том, что для России, более 50% территории которой расположено в зоне вечной мерзлоты, повышение концентрации СО2 и связанное с ним потепление климата выгодно. При этом следует также учитывать, что двукратное повышение содержания СО2 в атмосфере приведет к 60%-ному повышению скорости фотосинтеза на Земле.
ВЫДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА
Приобретенная в процессе эволюции (более 2 млрд. лет назад) способность фотосинтезирующих растений к выделению молекулярного кислорода в результате окисления воды (см. рис. 2) привела к поистине революционным преобразованиям на Земле, из которых необходимо отметить следующие.
1. Фотосинтезирующие организмы, а через их посредство и вся живая природа, получили доступ к практически неиссякаемому и возобновляемому источнику электронов, участвующих во всех биоэнергетических процессах, — воде, что, естественно, привело к резкому возрастанию масштабов фотосинтеза и поступления энергии в биосферу. Ранее фотоокислению могли подвергаться лишь восстановленные вещества типа H2S, представленные на Земле в довольно ограниченном количестве.
2. Продукт фотосинтетического окисления воды — молекулярный кислород, содержание которого в атмосфере возросло в результате фотосинтеза практически от нуля в древней атмосфере до 21% в настоящее время, вызвал значительные изменения во всей живой природе. Появление в атмосфере свободного О2 привело к массовой гибели существовавших тогда организмов, для которых такой сильный окислитель как кислород оказался сильнейшим ядом, поскольку он резко нарушал протекание биоэнергетических процессов. В то же время в результате длительной эволюции на фоне возрастающей концентрации О2 в атмосфере появились новые, аэробные организмы, обратившие наличие О2 себе на пользу. Они сумели включить его в свой метаболизм в качестве эффективного конечного акцептора электронов в дыхательной цепи. Это позволило поднять биоэнергетику на новый, значительно более высокий уровень, так как в этом случае происходит более эффективное "сжигание" органики. Так, например, выход макроэргического эквивалента — аденозинтрифосфата (АТФ) на одну молекулу исходной гексозы составляет две молекулы при молочнокислом брожении и 36 — 38 молекул (то есть в 18—19 раз выше) при аэробном дыхании.
Фотосинтетическое образование О2, сопровождающееся поглощением СО2, в сочетании с появившейся возможностью аэробного дыхания, при котором происходит обратный процесс — потребление 02, сопровождающееся освобождением СО2, привело к образованию замкнутых циклов О2 и СО2, имеющих глобальные масштабы. Сочетание этих циклов позволяет восполнять содержание как СО2, так и О2, а их участие в едином цикле "фотосинтез-дыхание" обеспечивает постоянное поступление энергии в биосферу (см. рис. 2).
3. Появление кислородвыделяющих организмов привело к тому, что практически все процессы на поверхности Земли приняли биогеохимический характер. Именно в этот период значительного повышения О2 в атмосфере произошло окисление соединений железа, серы, марганца, причем на это ушло более 95% кислорода, выделенного фотосинтезирующими организмами за всю историю биосферы. Атмосфера Земли до появления кислородвыделяющих фотосинтезирующих организмов была разреженной и состояла главным образом из СО2 и аммиака. По мере возрастания О2 в атмосфере значительно увеличивается и содержание молекулярного азота благодаря окислению аммиака. Сам процесс фотосинтеза, сопровождающийся образованием и запасанием органического вещества, привел к значительному, более чем в 100 раз, уменьшению содержания СО2 в атмосфере.
В результате первичная разреженная атмосфера превратилась во вторичную плотную азотокислородную оболочку Земли. Теперь солнечная и другие виды космической радиации, прежде чем достичь поверхности, должны были фильтроваться через мощный слой атмосферы. Кроме того, под действием фотохимического процесса в верхних слоях атмосферы двухатомный молекулярный кислород превращается в трехатомную молекулу озона, имеющего интенсивное поглощение в области жесткого ультрафиолета (0,2 — 0,3 мкм). В результате образовавшийся озоновый экран стал задерживать наиболее опасную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию.
Таким образом, фотосинтез, основанный на окислении воды, благодаря возможности использовать воду в качестве субстрата стал мощным поставщиком энергии в биосферу, революционным образом обогатил биоэнергетику благодаря включению О2 в метаболизм живых организмов, защитил живую материю от гибельного действия космической радиации. Все это индуцировало мощное развитие биологической материи на Земле, приведшее в конечном счете к появлению человека. И в настоящее время фотосинтез лежит в основе биологического круговорота энергии и веществ на Земле, от масштабов которого зависит и жизнь на нашей планете, и ее разнообразие и возможности.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ СВЕТА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ
Живая природа настолько рационально решает проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее преобразования и запасания в удобной для биологического потребления форме, что до сих пор не удается воспроизвести основные этапы фотосинтеза в искусственных системах. Первичное улавливание и преобразование энергии света при фотосинтезе происходит с непременным участием хлорофилла, что было выявлено уже в классических работах К.А. Тимирязева, показавшего, что именно та часть солнечного света, которая поглощается хлорофиллом, эффективно инициирует процесс фотосинтеза.
Как показано на рис. 3а, молекула хлорофилла состоит из порфиринового ядра, образованного тетрапиррольным кольцом с расположенным в центре атомом магния, и фитольного хвоста. Хлорофилл относится к классу веществ, называемых пигментами, то есть сильноокрашенных соединений, характеризующихся интенсивным поглощением видимого света. Было установлено, что система "легко возбудимых" сопряженных связей порфиринового кольца обусловливает высокую способность хлорофилла к поглощению света (рис. 36). Так, миллиметровый слой 1 мМ раствора хлорофилла поглощает около 90% падающего на него красного или синего света (зеленый свет поглощается менее эффективно, что и определяет зеленый цвет растений). Для хлорофилла, как и для других пигментов, характерно относительно длительное время, около 1(Г8 сек, нахождения в возбужденном состоянии, что важно для участия хлорофилла в фотохимических реакциях. У многих других пигментов, например, у производных хлорофилла, у которых центральный атом магния заменен на медь или марганец, это время гораздо ниже вследствие чрезвычайно быстрого перехода энергии электронного возбуждения в тепло.