Яблони на Марсе

В пчелином улье на одну матку трудятся многие десятки тысяч рабочих пчел. Они собирают нектар, пыльцу, выкармливают личинок… Нечто подобное наблюдается и при фотосинтезе. Подавляющее большинство молекул хлорофилла выполняет лишь обслуживающие функции — сборщиков квантов света. Перебрасывая фотоны, словно мячики, хлорофиллы-сборщики практически без потерь доносят поглощенную энергию до так называемых реакционных центров. И вот в этих-то центрах несколько молекул хлорофилла (химически они ничем не отличаются от молекул-сборщиков) способствуют стоку и переработке энергетического урожая.

Каждый центр может в секунду переработать около 50 квантов света. Их надо собрать, что непросто, ибо даже при ярком освещении на каждую молекулу зеленого пигмента приходится лишь один поглощенный квант в секунду, а при слабом освещении даже за десятки секунд. Если бы фотохимическая реакция шла в той же молекуле хлорофилла, которая только что поглотила фотон, то подобная система работала бы очень неэффективно, простаивая большую часть времени. Оттого-то каждый реакционный центр и обслуживает сотни молекул-сборщиков…

На инженерную основу

— Когда о человеке образно говорят, что он живет растительной жизнью, — помню, шутил Ксенжек, — сразу становится ясно, что он пассивен и бездеятелен. Но реальная жизнь растений отнюдь не пассивна и вовсе не бездеятельна…

Да, хлопотлива жизнь растений. Они извлекают из почвы, прокачивают сквозь свои тончайшие сосуды и выбрасывают в атмосферу в виде паров громадное количество воды — порядка тысячи тонн на тонну урожая. Впитывают из почвы минеральные вещества, «разбавленные» землей в миллионы раз. Буквально по крохам собирают из воздуха углекислоту и делают многое другое. Самое же главное — растения выполняют важнейшую для человечества функцию — фотосинтез. И все это требует затрат энергии. К сожалению, «энергоемкость» тех или иных функций у растения известна лишь очень приближенно и недостоверно.

Чтобы просветлить темные места в энергетике растений, Ксенжек взялся за термодинамические расчеты. И сразу возникло много недоуменных вопросов. Так, скажем, выяснилось, что если даже в процессе дыхания растение «сожжет» все накопленные им ранее продукты фотосинтеза, то и тогда оно будет не в состоянии энергетически обеспечить комплекс идущих в нем активных процессов жизнедеятельности. Накапливая в виде зерна одну тонну органических веществ, растения прокачивают сквозь свои структуры до тысячи и более тонн воды. Количество тепла, расходуемое на испарение этой воды, примерно в 100 раз превосходит количество энергии, запасаемой в урожае. Напрашивается предположение, что большая часть полезной работы совершается растением не через цикл связывания углекислоты и последующего окисления продуктов фотосинтеза, а минуя его. Но что это за загадочные механизмы, позволяющие растению как будто непосредственно использовать солнечную энергию? Ответа пока нет.

Так же неясна судьба большей части энергии, поглощенной растительными пигментами. Обычное объяснение, что эта энергия, 50–60 процентов энергии, поглощенной растением, просто превращается в тепло, в сущности, ничего не объясняет. Оно только переводит проблему из сферы физики в сферу биологии: если высокоспециализированные светопоглощающие системы растения работают в значительной мере вхолостую и даже нагружают растение избыточным теплом, температура листьев растений в солнечный день может быть на 10, на 15–20 градусов выше температуры окружающего воздуха, то почему эти системы не были отбракованы эволюцией?

Напрашивается еще одна гипотеза: а правомерно ли рассматривать растение только как химическую машину? Не есть ли это еще одновременно и машина тепловая? Не действуют ли растения как тепловые насосы? Традиционно считается, что в процессе испарения воды листьями растение освобождается от избыточного тепла. Однако можно показать (вновь термодинамика), что при определенных условиях испарение влаги сопровождается охлаждением окружающего воздуха, а вовсе не растения!

Осознание подобных парадоксов имеет большое значение. Оно может изменить стратегию подхода к повышению продуктивности растений. Исторически получилось так, что больше всего ученые потратили сил на изучение энергетики фотосинтеза. Этот процесс создает все, что нам нужно от растений, за исключением разве тени и эстетического наслаждения! И даже сейчас все нацелено на это. А практики, следуя рекомендациям ученых, всячески стремятся облегчить растениям фотосинтез. Но, может быть, человек тут берется за дело не с того конца? Может быть, облегчив растению выполнение более трудоемких для него задач, удастся скорее добиться желаемого? И тогда мечта о КПД в 15 процентов станет реальностью?