Значение
света для зеленых растений подчеркивал еще Аристотель: «Те части растений, в
которых влажное не смешивается с солнечными лучами, остаются белыми».
В
1777 г. Д. Пристли открыл, что растения днем выделяют кислород,
очищая воздух, «испорченный» горением или дыханием животных. Сам процесс
фотосинтеза был досконально изучен К.А. Тимирязевым (1843-1920). По Тимирязеву,
процесс фотосинтеза протекает под воздействием содержащегося в зеленых частях
растений сложного органического вещества – хлорофилла, спектр поглощения
которого показан на рис. 2.7. Коэффициент использования энергии солнечного
света при фотосинтезе невелик (» порядка 2 %).
Поглощение
420 500 580 660 740
Длина волны, мкм
Рис. 2.7. Спектр
поглощения хлорофилла
Усвоение
СО2 растениями при фотосинтезе эндотермический процесс, который
протекает с поглощением большого количества теплоты с DН=112 ккал/моль в случае
синтеза глюкозы:
hn
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6
+ 6О2 – 674 ккал.
В
1961 г. за раскрытие механизма фотосинтеза американскому ученому
М. Келвину присуждена Нобелевская премия. Механизм фотосинтеза такой: попадая
в клетку зеленого листа, СО2 присоединяется к акцептору
(углеводрибулезодифосфат), с которым продолжается дальнейшее передвижение и
превращение. Благодаря ферменту альдолазы образуется глюкоза С6Н12О6,
а далее – сахароза С12Н22О11, крахмал
(С6Н10О5)n и
другие углеводы Сn(Н2О)m. Суммарно фотосинтез можно выразить так:
hn
nСО2 + mН2О
= Сn(Н2О)m + nО2 – Q.
Фотосинтез
осуществляется за счет энергии солнечных лучей (26500 млрд ккал/с на всей
земной поверхности).
Часть
синтезированного в этом процессе вещества снова переходит к акцептору. Так и
реализуется циклический процесс. Только циклические процессы могут быть
саморегулирующимися (фотосинтез в их числе). Дальше с помощью других ферментов
из углеводов синтезируются белки, жиры и другие нужные для жизни растений
органические вещества.
Следует
заметить, что содержание СО2 в атмосфере невелико, и он бы полностью
исчерпался за 4-35 лет (табл. 2.8.).
Откуда
же он поступает в атмосферу? Ежегодно все растения и животные выдыхают СО2
1013-1014 кг, а люди – 1,08×1012 кг
(пункты 3,4; рис.2.5).
Экзотермическая
реакция окисления углерода до СО2 протекает в тканях живого
организма под действием вдыхаемого кислорода, который переносится по
кровеносной системе посредством гемоглобина – сложного органического вещества
(с молярной массой М»68000 г/моль), содержащего 4 атома железа, каждый из которых способен
связывать одну молекулу О2.
Процесс
дыхания упрощенно можно изобразить схематически так (где Гем – гемоглобин):
1)
Гем + О2 = Гем·О2 (легкие: вдыхание);
2)
Перенос с кровью в ткани;
3)
Гем·О2
+ С (из пищи) = Гем·СО2 (ткани);
4)
Перенос в легкие;
5)
Гем·СО2
= Гем + СО2(легкие: выдыхание).
Таким
образом, можно сказать, что гемоглобин ведет себя как катализатор. Другие
источники поступления СО2 в атмосферу – извержения вулканов,
кислотные дожди, действующие на известняки (пункт 8, рис. 2.5). Часть СО2
образуется при гниении, разложении, отмирании живых организмов под действием
редуцентов, а также при пожарах и, наконец, при антропогенном воздействии. Так,
ежегодно в промышленности и на транспорте при сжигании топлива выбрасывается в
атмосферу 1,5×1012 кг СО2 и эта цифра ежегодно растет,
что создает глобальную проблему - парниковый эффект.
Если
бы не происходило побочных процессов, то количество СО2, выделяемого
в атмосферу и усваиваемого растениями, было бы одинаковым. Однако же часть
углерода временно выводится из кругооборота за счет частичной минерализации
останков растений (пункт 5, рис. 2.5) и животных (пункт 6, рис. 2.5)
с образованием торфа, нефти, углей и других ископаемых в литосфере.
Общее
количество углерода земной коры (трех оболочек), по Вернадскому, составляет
примерно 1×1017 т, причем большая часть его рассеяна повсюду в природе,
поэтому такой разброс в данных по распределению его по отдельным формам
нахождения (табл. 2.9).
Таким
образом, основная масса углерода принимает участие в медленном геологическом
кругообороте. Естественно предположить, что в настоящее время атмосфера
содержит лишь ничтожную часть СО2 от того запаса, который первоначально
имелся, и углерод постепенно выводился из биологического кругооборота из-за
отложений в литосфере. Но из-за антропогенных факторов (использование горючего,
его сгорания) в последнее время доля СО2, а значит, и углерода в
атмосфере неуклонно растет из года в год.