Значение фотосинтеза для жизни на Земле

Датой открытия фотосинтеза считают 1771 — 1772 гг., когда английский ученый Д. Пристли обнаружил, что зеленое растение исправляет воздух, «испорченный» горением свечей и дыханием.

По решению ЮНЕСКО 1972 год был объявлен годом фотосинтеза. В этот год ученые всего мира на разных конгрессах, конференциях, в монографиях подводили итоги изучения фотосинтеза за 200 лет. Они хотели показать всем людям Земли, что без этого процесса жизнь па нашей планете невозможна. Почему? Зеленые растения превращают энергию Солнца в химическую энергию и используют ее для образования органических веществ из неорганических. Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза за год, примерно в 100 раз больше энергии, получаемой от сгорания всего каменного угля, добываемого в мире за это же время. Синтезированные органические вещества листьев, стеблей, корней, цветков, плодов являются пищей человека, животных, бактерий и незеленых растений. Некоторые из этих органических веществ окисляются в процессе дыхания растения, животного или человека. В результате химическая энергия сложных органических соединений превращается в энергию АТФ, используемую для работы клеток. Таким образом, наши клетки работают за счет энергии Солнца, поглощенной зеленым листом. Это позволило К. А. Тимирязеву написать, что человек вправе, наравне с самим китайским императором, величать себя сыном Солнца.

Образование органического вещества из неорганического, происходящее во время фотосинтеза, — самый грандиозный биологический процесс на Земле. 155 млрд т органических веществ ежегодно образуется зелеными растениями, при этом они усваивают 200 млрд т С0₂ и выделяют примерно 145 млрд т 0₂. Еще в XIX в. К. А. Тимирязев писал: «Это превращение простых неорганических веществ: С0₂ и воды — в органические — единственный на нашей планете естественный процесс образования органического вещества. Все органические вещества, как бы разнообразны они ни были, где бы они ни встречались: в растении, в животном, в человеке, а также в нефти, угле, — прошли через лист, образовались из веществ, сделанных листом»^[1].

Поскольку органические вещества, которыми питаются люди, животные, создаются в зеленом растении, численность населения Земли зависит в конечном счете от количества накопленных продуктов фотосинтеза. 95% сухого вещества тела растения создается в процессе фотосинтеза, поэтому управление фотосинтезом — один из наиболее эффективных путей повышения урожая. Эти вещества также являются строительным материалом для изготовления домов, мебели, они нужны для производства лекарств и т. д.

В атмосфере есть два источника свободного кислорода: диссоциация молекул водяного пара под воздействием коротких ультрафиолетовых лучей и фотосинтез. Первый процесс был, вероятно, единственным источником кислорода до появления на Земле фототрофных организмов. Фотосинтез, возникший с их появлением, стал основной причиной большого накопления кислорода в атмосфере, содержание которого к 1910 г. составило 20,9488% (по объему) и поддерживалось на этом уровне до начала XXI в. Таким образом, почти весь кислород современной атмосферы биогенного происхождения.

Процессы горения и дыхания стали возможны только после того, как на Земле возникли в процессе эволюции фотосинтезирующие организмы. Современные зеленые растения выделяют днем в 20—30 раз больше кислорода, чем тратят па дыхание в течение суток. Кислород расходуется на дыхание не только самих зеленых растений (около 1/3), но и животных и человека, на аэробное разложение органических веществ микроорганизмами и процессы горения. В наше время накопления кислорода в атмосфере не происходит. Однако темпы его расходования увеличиваются. За 50 лет его использовано столько же, сколько за последний миллион лет, т. е. 0,02% атмосферного запаса.

Необходимый участник фотосинтеза — углекислый газ — содержится в окружающей растение среде в малом количестве: в атмосфере его доля составляет лишь 0,038% (по объему); в воде его содержание определяется его растворимостью и сильно зависит от температуры. Тем удивительнее способность растений создавать огромные количества органических веществ — 160—200 млрд т в год.

С помощью поглощаемой растениями энергии света в природе совершается круговорот углерода. Он начинается на организменном и клеточном уровнях с поглощения листьями углекислого газа, который в хлоронластах используется для синтеза органических веществ. Органические вещества служат для построения клеточных структур, откладываются в запас или вновь расщепляются в процессе дыхания до воды и углекислого газа. Последний опять выделяется из клетки в атмосферу. После смерти растения органические вещества клеток с помощью грибов и бактерий превращаются в почве в неорганические, в том числе и С0₂, который возвращается в атмосферу.

Круговорот углерода на Земле на планетарном уровне совершается довольно быстро. Подсчитано, что за четыре года весь углерод атмосферы (0,038%) проходит через фотосинтез зеленых растений суши, а за каждые 300 лет С0₂ тропосферы и океанов также совершает полный цикл. В круговорот углерода включаются и полезные ископаемые: каменный уголь, нефть, газ. Они накопились в то время, когда на планете преобладали восстановительные процессы и усвоение (ассимиляция) углерода зелеными растениями преобладало над процессами распада. От фотосинтеза зависит содержание гумуса в почве.

Казалось бы, что при огромном годовом потреблении углерода весь углекислый газ атмосферы должен быть израсходован в течение нескольких лет, но его содержание непрерывно пополняется за счет растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов, дыхания различных организмов, в том числе и самих растений, а также за счет микробиологических процессов, идущих в почве. Из почвы выделяется особенно много углекислого газа благодаря присутствию в ней корневых систем, почвенных водорослей, грибов, бактерий и животных. Однако основное количество углекислого газа поступает в атмосферу в результате работы фабрик, транспорта, сжигания нефти, угля, лесных пожаров. Полагают, что если в начале промышленной революции (1800) в атмосфере содержалось 0,029% С0₂, то к 1958 г. эта цифра увеличилась до 0,0315, к 1980 — до 0,0335, а к 2000 г. — до 0,038% по объему и продолжает расти.

Этот процесс увеличения концентрации С0₂ может еще ускориться из-за продолжающегося на нашей планете сокращения площадей, занятых зелеными растениями, особенно лесами. Увеличение концентрации углекислого газа в воздухе грозит Земле так называемым парниковым эффектом — увеличением температуры, что приведет к таянию льдов и повышению уровня мирового океана, а следовательно, к затоплению огромных площадей и повышению влажности воздуха. Таким образом, круговорот углерода происходит на разных уровнях — клеточном, организменном и планетарном. Из сказанного понятно, что проблема фотосинтеза связана с охраной окружающей среды, причем не в региональных масштабах, не в границах одной страны, а в масштабах всей планеты.

Изучение фотосинтеза и раскрытие его механизмов является одной из наиболее важных и интересных задач. Во-первых, детальное изучение синтеза органических веществ в зеленом растении — один из путей решения продовольственной проблемы в мире. Так как 95% массы растения создается в процессе фотосинтеза, теоретическую основу учения об урожае составляет наука о фотосинтезе. Во-вторых, детальное изучение фотосинтеза на молекулярном уровне, интенсивно ведущееся в наши дни, открывает путь к моделированию этого процесса, организации производства органических веществ в искусственных условиях, которое так же, как и фотосинтез, будет основано на превращении энергии света в химическую энергию.

Изучение фотосинтеза как научной проблемы должно привести к более глубокому раскрытию тайн жизни, в частности к выяснению того, как возникла жизнь на Земле. Ведь в процессе фотосинтеза ежесекундно неорганическое вещество превращается в органическое, возрастает порядок в биологической системе, а в этом и заключается суть перехода от предбиологической организации к биологической.

Что узнали люди о фотосинтезе за XX в. Как мы представляем себе этот процесс сегодня? Еще в 1905 г. английский физиолог растений Ф. Блэкман установил, что фотосинтез можно разделить на две фазы: световую, для которой нужен свет, и темновую, для которой сам свет не нужен, но нужны вещества, образовавшиеся во время световой фазы. Эти вещества не запасаются в клетке, поэтому темповая фаза, несмотря на свое название, идет только днем. В 1920 г. немецкий биохимик О. Варбург доказал, что световая фаза во много раз короче темповой.

Изучение процессов фотосинтеза во второй половине XX в. показало, что свет активирует некоторые наиболее важные ферменты, катализирующие реакции темновой фазы. Кроме того, от освещенности зависят движения устьиц, которые регулируют поступление С0₂ в лист. Поэтому логичнее заменить название «световая фаза» на «первичные процессы фотосинтеза», а название «темновая фаза» — на «восстановление С0₂, NO3 и S₂». Первичные процессы фотосинтеза — это поглощение, миграция и превращение энергии в хлоропластах, т. е. фотофизические и фотохимические процессы.

Контрольные вопросы

• 1. Каково суммарное уравнение фотосинтеза? Какую роль сыграло оно в изучении фотосинтеза?
• 2. Какова общая характеристика фотосинтеза?
• 3. Какую роль играет этот процесс в жизни растения?
• 4. Почему жизнь на Земле невозможна без зеленых растений?
• 5. Как совершается круговорот углерода на нашей планете?
• 6. Почему нужно изучать фотосинтез?

• [1] Тимирязев К. А. Земледелие и физиология растений. Избранные сочинения. М.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1949. Т. 2. С. 80.