Рамки книги не позволяют нам остановиться на прикладном значении проблемы «Солнце — Земля» для радиосвязи, магнитной навигации, безопасности космических полётов, прогнозирования погоды и прочего. Наша задача другая — связь между явлениями жизни и солнечным лучом. И опять не обойтись без цитаты, на сей раз из Тимирязева: «Зерно хлорофилла тот фокус, та точка в мировом пространстве, в которой живая сила солнечного луча, превращаясь в химическое напряжение, слагается, накопляется для того, чтобы впоследствии исподволь освобождаться в тех разнообразных проявлениях движения, которые нам представляют организмы, как растительные, так и животные. Таким образом, зерно хлорофилла — исходная точка всякого органического движения, всего того, что мы разумеем под словом жизнь». Это было сказано более 100 лет назад...
Резюмируя приведённые высказывания, можно выстроить такую цепочку: солнечный луч — хлорофилл — фотосинтез—энергия-—жизнь.
Что же касается магния, которому посвящена настоящая глава, то связь здесь такая: без магния не было бы хлорофилла, и в этом случае неизвестно, каким путём развивалась бы жизнь на Земле.
Совсем недавно была выдвинута любопытная гипотеза о том, что природные условия на одном из спутников Юпитера — Европе позволяют предположить возможность существования на ней живых организмов. Как установлено при помощи новейших космических исследований, этот спутник покрыт слоем льда толщиной в несколько километров, под которым находится океан воды глубиной до 50 км. Лёд испещрён гигантскими трещинами, через которые в воду проникает солнечный свет. Воды океана, видимо, разогреваются за счёт радиоактивного распада элементов в недрах этой планеты. Американские учёные, обработав данные космического аппарата «Вояджер», заявили, что на Европе могут быть простейшие фотосинтезирующне организмы.
Да, наличие воды — первейшее условие для возникновения жизни, но не достаточное. А каково содержание магния, совершенно необходимое для хлорофилла и фотосинтеза, в породах, слагающих этот спутник Юпитера? Этого мы пока не знаем. Юпитерианская Европа схожа с Луной, и поэтому её называют луноподобной. На Луне магний есть. Если допустить, что химический состав планет Солнечной системы и их спутников примерно одинаков, то можно думать, что и на Европе есть магний, или что его туда по крайней мере занесли метеориты. При таком допущении действительно есть основания предполагать возможность фотосинтезирующих организмов на этой юпитерианской луне.
В активных свойствах хлорофилла в возбуждённом состоянии много непознанного, впрочем, как и в процессе фотосинтеза. Понятен тот интерес, с которым исследователи стремятся проникнуть в тайны такого изумительного преобразователя энергии. Когда Вудворт осуществил синтез хлорофилла, казалось, вот она — победа над энергией. А с нею связывали и полное искоренение голода: представлялось, что это верный путь к созданию самых разнообразных синтетических продуктов питания. Увы, зелёный лист не раскрыл нам пока всех своих тайн.
Недаром близкий друг Чижевского замечательный поэт Николай Заболоцкий сказал:
В каждом маленьком растеньице,
Словно в колбочке живой,
Влага солнечная пенится
И кипит сама собой.
Вот именно, сама собой.
То, что ещё не получается у человека.
Горы книг и статей написаны о хлорофилле и фотосинтезе, может быть, больше, чем о другом каком-либо вещёстве или процессе. А кто подсчитал, сколько экспериментов произведено, чтобы добиться эффекта природного преобразования светового луча? В модельных системах не происходит накопления световой энергии. Искусственный хлорофилл может пока работать только как катализатор...
Установлено, что магний-порфириновый комплекс, именуемый хлорофиллом, связан с белком и способен возбуждаться под действием света. Это его основная особенность. Но этого было бы совершенно недостаточно, если бы хлорофилл не мог ещё и передавать энергию своего возбуждённого состояния другим вещёствам клетки. Ловушкой световой энергии является порфириновое кольцо, а магний служит посредником и катализатором фотохимических реакций. Хлорофилл как бы выполняет две функции: способствует созданию сложных структур из простейших молекул и в то же время обогащается энергией.
Характерно, что фотосинтез — единственный процесс живой природы, который идёт с увеличением свободной энергии и, по сути, прямо или косвенно обеспечивает ею все земные организмы, кроме хемосинтезирующих.
Удивительная энергия возбуждённого хлорофилла
Чрезвычайно интересный и ещё не выясненный до конца процесс производства энергии зелёными растениями сегодня представляется следующим образом. Квант света, поглощаясь молекулой хлорофилла, сообщает энергию её электронам, которые переходят на возбуждённые уровни. Оттуда они совершают путешествие по другим молекулам, связанным с хлорофиллом в единую цепочку генерации энергии. Если бы не было такого «содружества» то электроны, поднятые на высокие энергетические уровни, просто опустились бы на прежние места, а поглощённая энергия рассеялась бы. Иными словами, молекула испустила бы квант энергии, не совершив никакой химической работы. Произошло бы примерно то же, что происходит, когда подскакивает стальной шарик. Он падаёт, не совершив почти никакой работы, разве что на преодоление трения воздуха и удар о землю. Иное дело, если бы шарик, подпрыгнув, например, замкнул бы собою электрическую цепь, тем самым заставив зажечься лампочку. Здесь тоже потерялась бы какая-то доля энергии, но зато была бы выполнена полезная работа, хотя шарик и вернулся бы в конце концов в исходное состояние.
Нечто подобное происходит и с возбуждёнными электронами молекулы хлорофилла. Израсходовав избыток энергии, сообщённой им квантом света, они возвращаются на прежние уровни. Кому же передают свою энергию возбуждённые электроны? Нашим хорошим знакомым — цитохромам, вырабатывающим основную энергетическую валюту организма — АТФ. Заметим, что фотосинтетическая эстафета передачи энергии светового кванта происходит с весьма высоким кпд, примерно 97 %, а весь процесс фотосинтеза совершает полезную работу несколько меньше 30 %.
Мы не зря привели эти цифры. Выработка АТФ клеткой поразительно совершенна. На единицу массы ; живое существо производит энергии гораздо больше, чем Солнце. Любопытно, что человек, весящий 70 кг, вырабатывает АТФ до 75 кг в день, то есть больше собственного веса! Такое же количество АТФ, выпускаемое промышленностью для технических нужд, стоит ни много ни мало 150 тыс. долларов.
Производство энергии — это, так сказать, одна из сторон деятельности хлорофилла, не выходящая за пределы организма. Более впечатляюща другая сторона, характерная начальными и конечными продуктами фотосинтеза. В результате этого процесса из углекислого газа и воды под действием света образуются органические соединения и кислород. Благодаря хлорофиллу ежегодно на Земле происходит усвоение 200 млрд. т углекислоты, что даёт 100 млрд. т органических вещёств и около 145 млрд. т свободного кислорода.
