О возможности непрерывного продления человеческой жизни
в бессмертие
Осмыслительный комментарий на книгу Рофмана В.М. написал
Васильев Владимир Ильич
Комментарии Васильева В.И в тексте книги выделены так: ==... ==
115
17. Экологические перспективы развития фотосинтеза
"...Преобразование земледелия...
должно стать альфой и омегой
будущего переворота. Иначе - прав
окажется папаша Мальтус"
Карл Маркс
(Из письма Ф.Энгельсу от 14.08.1851г.)
Фотосинтез - единственный процесс, на основе которого возможна организация
экологически безопасного способа использования солнечной энергии в глобальных,
общепланетарных масштабах. Поэтому управление фотосинтезом, повышение его
эффективности в естественных производящих экосистемах является одной из
приоритетных задач науки экологического развития производительных сил человека и
природы.
В естественной среде скорость фотосинтеза практически одинакова для всех
земных растительных форм жизни. Содержание хлорофилла на 1 м2 в различных
фотосинтезирующих сообществах тоже примерно одинаково. Ассимилизационное число
(продуктивность на 1 г хлорофилла, выраженная в граммах кислорода, выделяемого за
один час) и для водных, и для наземных экосистем является одним из наиболее
устойчивых показателей /1/.
Известные различия в объѐмах первичной продуктивности фотосинтезирующих
экосистем - от 3 г на 1м2 в год (для голой пустыни) до 2500 г на 1м2 в год (для среды
коралловых рифов), связаны только с различиями в условиях их существования. В
идеальных лабораторных средах уже достигнут тот предел, когда больше не удаѐтся
повысить прирост биомассы ни увеличением концентрации в воздухе углекислоты, ни
подбором температурного и фотоэнергетического режима, ни улучшением водоснабжения
и питания растений. В оптимальных условиях жизнедеятельности рекордсмены по
скорости фотосинтеза - одноклеточные водоросли типа хлореллы или сценедесмуса, не
имеют никаких особых преимуществ перед фотосинтезирующими возможностями других
растений. Всеми современными приѐмами селекции, агрохимии и генной инженерии не
удаѐтся повысить скорость фотосинтеза в растительных клетках и на десятые доли
процента сверх достигнутого в природе максимума!
Соответственно, если человечество и дальше будет ориентироваться в своей
продовольственной политике на естественный предел фотосинтезирующей способности
растений, то всѐ, на что мы можем рассчитывать, - это 2-3-х кратное увеличение средней
продуктивности сельскохозяйственных культур за счѐт создания тепличных условий их
разведения и повышения устойчивости к вредителям методами генной инженерии. Всѐ
это, как известно, требует очень больших энергетических, материальных и трудовых
затрат, а также длительного времени проверки генномодифицированных организмов
(ГМО) на экологическую безопасность для человеческой жизни.
В методах селекции, агрохимии и генетики люди лишь повторяют природу. А сама природа, имея в своѐм распоряжении всю таблицу Менделеева, великое разнообразие
форм жизни, массу физических, химических и биологических средств воздействия на
фотосинтезирующие клетки, плюс почти четыре миллиарда лет эволюции, так и не смогла
существенно повысить скорость фотосинтеза. Ни из прошлого жизни, ни в еѐ настоящем
1. Печуркин Н.С. "Энергия и жизнь". - М., "Наука", 1988, с.56.
116
науке не известны эффекты резкого (на несколько порядков) каталитического ускорения
роста растительной биомассы. Даже такое мощное оружие, как ферментативный катализ,
оказалось бессильным перед барьером максимально достижимого естественного уровня
развития этого процесса.
Беспомощность естественной эволюции перед пределом развития
фотохимического процесса синтеза растительных форм жизни, можно объяснить только
тем, что фактор, который так жестко ограничивает скорость фотосинтеза, лежит вне этого
процесса, а его природа - неорганическая. Этот лимитирующий фактор сформировался во
Вселенной задолго до появления растений, поэтому все фотосинтезирующие системы, в
ходе своего эволюционного развития, были вынуждены просто к нему пассивно
приспосабливаться, как заданной константе внешнего мира косной материи, которую
невозможно изменить доступными растениям способами развития. Соответственно,
решение проблемы повышения скорости реакций фотосинтеза необходимо искать не в
функциональных и морфологических таинствах растительных форм жизни, а на границе
между биосферой и неорганической средой, - в особенностях взаимодействия клеток
растений с физико-химическими процессами существования неорганических форм
материи.
Если не забираться в микроскопические глубины биохимии и морфологии
фотосинтезирующих клеток, то процесс фотосинтеза достаточно прост. Он состоит из
двух стадий - энергетической и синтетической.
На первой стадии световая солнечная радиация преобразуется, с помощью
хлорофилла (биохимического фотоэлемента), в электрохимические формы энергии,
пригодные для осуществления последующих реакций биохимического синтеза и
получения активного водорода электролизом внутриклеточной воды.
На второй стадии углерод углекислоты фиксируется по циклу Кальвина в
углеводы и другие органические соединения.
Именно исследование второй - синтетической фазы, позволяет выявить
неорганический фактор, лимитирующий скорость всего процесса фотосинтеза. Им
является величина диссоциации углекислого газа в воде (см. таблицу 6):
Таблица 6.
Фактор, лимитирующий скорость процесса
фотосинтеза
Температура, оС
0 10 20 30 40 50 60
Растворимость СО2 в воде,
г на 100 г Н2О при 760 мм.рт.ст.
0,335 0,232 0,169 0,125 0,097 0,076 0,058
Все биохимические процессы синтеза и обмена веществ в клетке происходят в
водных растворах. Элементы и соединения, в том числе и активный углерод углекислоты,
усваиваются клеточными органоидами только в диссоциированном на ионы виде.
Поэтому от степени диссоциации СО2 в воде напрямую зависит и скорость вступления
углерода углекислоты в ключевую, почти мгновенную синтетическую реакцию его
биофиксации с пятиуглеродным сахаром в цикле Кальвина.
Это - самое узкое место всего процесса фотосинтеза, которое невозможно расширить физико-химическими способами, доступными естественной эволюции растительных форм жизни.
Вот, некоторые из опробованных растениями методов повышения
концентрации диссоциированных ионов углекислоты в своих внутриклеточных водных
растворах:
117
1. Стадия фиксации углерода в строме хлоропласта чувствительна к
повышению температуры. С увеличением температуры повышается скорость оборота
цикла Кальвина, что могло бы, в принципе, увеличить продуктивность
фотосинтетического процесса растений, живущих в жарком, тропическом климате.
Но из вышеприведѐнной таблицы видно, что с увеличением температуры с 20 до 50оС в 2,4 раза падает растворимость углекислоты в воде, что сводит на нет весь возможный
положительный эффект термоускорения С3-цикла. Более того, сахарному тростнику и
колючим кустарникам в Долине Смерти (шт. Калифорния) пришлось даже вырабатывать
специальный защитный С4-цикл фиксации углерода, который позволяет им выжить в
условиях резкого понижения концентрации СО2 в перегретых внутриклеточных
растворах.
2. Углекислота намного лучше растворяется в концентрированных солевых
растворах (например, карбонатов) или в органических растворителях (спирте, метаноле,
ацетоне). Однако для клеток эти среды являются смертельно токсичными.
3. Растворимость СО2 в воде может быть увеличена повышением давления. Но
реально давление внутриклеточной жидкости может быть повышено в несколько раз
только перемещением растений в глубины морей и океанов, где фотосинтез невозможен
из-за отсутствия лучистой энергии.
== Или созданием со временем прохрачных теплиц из плёнки которая будет выдерживать давление в 3- 9 раз выше атмосферного... И что реально даст повышение давления на 50%? А на 100%? ==
4. Недостаточную растворимость углекислоты в воде можно компенсировать
ускорением процессов механической циркуляции внутриклеточных растворов. Однако
растения, в ходе эволюции, уже полностью исчерпали этот небольшой резерв
производительности, на 100% задействовав все физико-химические возможности
капиллярно-осмотических эффектов транспортировки потоков и пропускной способности
внутриклеточных мембран.
Нет смысла продолжать перечислять перечень прошлых "неудач" природной
эволюции. И так уже ясно, что повысить скорость диссоциации углекислоты и,
соответственно, скорость всего фотосинтетического процесса можно только искусственно
оснастив растительные клетки физико-химическими "орудиями", которые не способны
сами сформироваться в естественной природе без помощи сознательного управления
человеком биохимическими процессами развития растительных форм жизни.
Интересующая нас химическая реакция диссоциации и активизации
углекислоты в воде состоит из следующих основных стадий:
1. Насыщение воды газообразной углекислотой, поступающей из атмосферы, с
последующей диссоциацией молекул образовавшейся угольной кислоты на
электролитически активные ионы:
Н2О + СО2 Н2СО3 Н+ + НСО3 - 2Н+ + СО3
-2
2. Образование фотосинтетически активных анион-радикалов углекислоты,
вступающих далее в биохимические реакции цикла Кальвина:
Н *+ + НСО3
- Н2О + СО2
*-
2Н *+ + СО3
-2 Н2О + СО2 *-
h, ν
(образование протон-радикалов идѐт по реакции: Н+ Н *+ )
118
Здесь важно отметить, что воду можно насытить большим объѐмом
углекислоты, но при этом на ионы способен диссоциироваться только 0,1% от еѐ
растворившегося объѐма.
== Теоретически возможно как-то эту углекислоту ионизировать на 1-5-25%? От чего там конкретно отрываются ионы? И чем их на этих местах можно заменить, чтобы обратно не прилипли? ==