Фотосинтез простіше простого

Американський вчений Мелвіна Кальвін для вивчення темнових реакцій фотосинтезу, пов'язаних з фіксацією і перетворенням вуглекислого газу, широко використовував метод мічених атомів.
Речовини, що мають радіоактивну мітку, за хімічними властивостями практично не відрізняються від звичайних. Однак наявність радіоактивного атома дозволяє простежити за долею молекули, її перетвореннями в інші з'єднання, адже випромінювання, що випускається міткою в ході розпаду, може бути легко виміряна за допомогою приладів. М. Кальвін при вивченні реакцій фотосинтезу використовував також метод хроматографічного розділення суміші сполук. Якщо краплю розчину, що містить суміш різних молекул, нанести на хроматографічну папір, а кінець її помістити у відповідний розчинник, то речовини прийдуть у рух і кожне займе особливу зону на хроматограмі. За допомогою приладів легко можна знайти місця розташування радіоактивних сполук, перевести їх в розчин і визначити хімічну природу. За допомогою цього методу вдалося з'ясувати, які речовини і в якій послідовності утворюються в зеленому листі на світлі після введення міченого вуглекислого газу.
М. Кальвін обрав в якості об'єкта дослідження зелену водорість хлорелу. Після короткочасного освітлення в присутності радіоактивного вуглекислого газу її швидко вбивали (фіксували) гарячим спиртом, щоб призупинити протікають в ній реакції. Потім спиртову витяжку концентрували, поділяли на хроматограмі і проводили аналіз на вміст різних радіоактивних сполук.
Досить п'яти секунд перебування в атмосфері вуглекислого газу, щоб мічений вуглець цього з'єднання опинявся в трьохвуглецевих органічному речовині під назвою фосфогліцеринової кислота. Як воно утворилося? Кальвін припустив, що вуглекислий газ приєднується до якогось пятиуглеродного з'єднанню. У результаті виникає шестіуглеродное з'єднання, яке з причин своєї нестійкості на хроматограмі не виявляється. Воно, ледь виникнувши, негайно ж розпадається на дві молекули фосфогліцеринової кислоти.
Припущення М. Кальвіна підтвердилося - вуглекислий газ дійсно приєднується до пятиуглеродного речовини під назвою рібулезодіфосфат.
Роботи М Кальвіна щодо з'ясування суті темпових реакцій фотосинтезу - найбільше досягнення сучасної фізіології рослин. У 1961 році він був удостоєний Нобелівської премії.
5. Зелена електростанція
Існує ще один шлях використання людиною сонячної енергії, засвоєної рослинами, - безпосередня трансформація світлової енергії в електричну.
Вище ми простежили шлях порушеної квантом світла електрона в ході фотосинтезу. В даний час він вивчений досить детально. Саме здатність хлорофілу під дією світла віддавати та приєднувати електрони лежить в основі роботи генераторів, що містять хлорофіл.
М. Кальвін, роботи якого ми вже неодноразово згадували, в 1972 році висунув ідею створення фотоелемента, в якому в якості джерела електричного струму служив би хлорофіл, здатний при висвітленні віднімати електрони від якихось певних речовин і передавати їх іншим. Кальвін використовував як провідника, що контактує з хлорофілом, оксид цинку. При висвітленні цієї системи в ній виникав електричний струм щільністю 0,1 мікроампера на квадратний сантиметр. Цей фотоелемент функціонував порівняно недовго, оскільки хлорофіл швидко втрачав здатність віддавати електрони.
Для продовження часу дії фотоелемента був використаний додаткове джерело електронів - гідрохінон. У новій системі зелений пігмент віддавав не тільки свої, але й електрони гідрохінону. Розрахунки показують, що такий фотоелемент площею 10 квадратних метрів може мати потужністю близько кіловата.
Японський професор Фудзіо Такахасі для отримання електроенергії використовував хлорофіл, витягнутий з листя шпинату. Транзисторний приймач, до якого була приєднана сонячна батарея, успішно працював. Крім того, в Японії проводяться дослідження з перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою ціанобактерій, вирощених у живильному середовищі. Тонким шаром їх наносять на прозорий електрод з оксиду цинку і разом з протівоелектродом занурюють у буферний розчин. Якщо тепер бактерії висвітлити, то в ланцюзі виникне електричний струм.
У 1973 році американці У. Стокеніус і Д. Остерхельт описали незвичайний білок з мембран фіолетових бактерій, що мешкають в солоних озерах Каліфорнійських пустель. Його назвали бактеріородопсин. Це речовина являє собою білок, сполучений з каротиноїдом (про каротиноїда ми поговоримо нижче) ретиналь, складається з 20 вуглецевих атомів. Він схожий на родопсин - пігмент сітківки ока хребетних тварин, що й визначило його назву. Білкова частина родопсину представлена ​​поліпептидного ланцюгом помірної довжини, що складається з 248 амінокислотних залишків, послідовність розташування яких в молекулі з'ясована вченими. Великий внесок у дослідження структури бактериородопсина внесли радянські вчені, які працювали під керівництвом академіка Ю.А. Овчинникова.
Наприкінці 1973 року в АН СРСР був розроблений проект порівняльного вивчення тваринного та бактеріального пігментів, що отримав назву «Родопсин». У 1978 році журнал «Біоорганічна хімія» опублікував статтю, в якій викладалася послідовність розташування амінокислот в молекулі бактериородопсина. Лише через рік така робота була завершена в США під керівництвом відомого біохіміка Г. Корани.
Цікаво відзначити, що бактеріородопсин з'являється в мембранах галобактерій при нестачі кисню. Дефіцит же кисню у водоймах виникає у разі інтенсивного розвитку галобактерій. За допомогою бактериородопсина бактерії засвоюють енергію Сонця, компенсуючи тим самим виник в результаті припинення дихання дефіцит енергії.
Бактеріородопсин можна виділити з галобактерій, помістивши ці соелюбівие створення, чудово почувають себе в насиченому розчині кухонної солі, у воду. Негайно ж вони переповнюються водою і лопаються, при цьому їх вміст змішується з навколишнім середовищем. І тільки мембрани, що містять бактеріородопсин, не руйнуються через міцної «упаковки» молекул пігменту, які утворюють білкові кристали (ще не знаючи структури, вчені назвали їх фіолетовими бляшками). У них молекули бактериородопсина об'єднані в тріади, а тріади - в правильні шестикутники.
Оскільки бляшки значно більше всіх інших компонентів галобактерій, їх неважко виділити шляхом центрифугування. Після промивання центрифугата виходить пастообразная маса фіолетового кольору. На 75% вона складається з бактериородопсина і на 25 - з фосфоліпідів, що заповнюють проміжки між білковими молекулами. Фосфоліпіди - це молекули жирів у поєднанні з залишками фосфорної кислоти. Інші речовини в центрифугата відсутні, що створює сприятливі умови для експериментування з бактеріородопсин. До того ж це складне з'єднання дуже стійко до факторів зовнішнього середовища. Воно не втрачає активності при нагріванні до 100 ° С і може зберігатися в холодильнику роками. Бактеріородопсин стійкий до кислот і різних окислителям. Причина його високої стійкості обумовлена ​​тим, що ці гало-бактерії живуть у надзвичайно суворих умовах - в насичених сольових розчинах, якими, по суті, є води деяких озер в зоні випалених тропічним спекою пустель. У такій надзвичайно солоною, та до того ж ще й перегрітою, середовищі організми, що володіють звичайними мембранами, існувати не можуть. Ця обставина представляє великий інтерес у зв'язку з можливістю використання бактериородопсина в якості трансформатора світлової енергії в електричну.
Якщо випав в осад під впливом іонів кальцію бактеріородопсин висвітлити, то за допомогою вольтметра можна виявити наявність електричного потенціалу на мембранах. Якщо вимкнути світло, він зникає. Таким чином, вчені довели, що бактеріородопсин може функціонувати як генератор електричного струму.
У лабораторії відомого радянського вченого, фахівця в галузі біоенергетики В.П. Скулачова ретельно досліджувалися процес вбудовування бактериородопсина в плоску мембрану і умови функціонування його як світлозалежною генератора електричного струму.
Пізніше в цій же лабораторії були створені електричні елементи, в яких використовувалися білкові генератори електричного струму. У цих елементах були мембранні фільтри, просочені фосфоліпідами з бактеріородопсин і хлорофілом. Вчені вважають, що подібні фільтри з білками-генераторами, з'єднані послідовно, можуть служити в якості електричної батареї.
Дослідження з прикладного використання білків-генераторів, виконані в лабораторії члена-кореспондента АН СРСР В.П. Скулачова привернули до себе пильну увагу вчених. У Каліфорнійському університеті створили таку ж батарею, яка при одноразовому використанні протягом півтора годин змушувала світитися електричну лампочку. Результати експериментів вселяють надію, що фотоелементи на основі бактериородопсина і хлорофілу знайдуть застосування в якості генераторів електричної енергії. Проведені досліди - перший етап у створенні нових видів фотоелектричних і паливних елементів, здатних трансформувати світлову енергію з великою ефективністю.
6. Фотосинтез і врожай
Життя сучасної людини немислима без вирощування різних культурних рослин. Органічні речовини, утворені ними в ході фотосинтезу, служать основою харчування людини, виробництва ліків, вони потрібні для виготовлення паперу, меблів, будівельних матеріалів і т.п.
Культурні рослини здатні швидко розмножуватися, покривати зеленим екраном свого листя величезні площі, вловлювати колосальну кількість сонячної енергії і утворювати безліч різноманітних органічних речовин. У результаті фотосинтезу створюється 95% сухої речовини рослин. Тому ми з повним правом можемо стверджувати, що управління цим процесом один з найбільш ефективних шляхів впливу на продуктивність рослині, на їх урожай. Фізіологи рослин абсолютно правильно вважають, що основне завдання робіт в області фотосинтезу - збереження і підтримка на більш високому рівні фотосинтетичної діяльності природної рослинності Землі, максимальне підвищення фотосинтетичної продуктивності культурних рослин.
Які ж шляхи управління людиною фотосинтетичної діяльністю рослин?
Часто стримуючим чинником фотосинтезу є нестача вуглекислого газу. Зазвичай в повітрі присутні близько 0,03% СО2. Проте над інтенсивно фотосинтезуючим полем його вміст зменшується іноді в три-чотири рази в порівнянні з наведеною цифрою. Цілком природно, що через це фотосинтез гальмується. Тим часом для отримання середнього врожаю цукрових буряків один гектар її посівів повинен засвоювати за добу близько 300-400 кілограмів вуглекислого газу. Така кількість міститься в колосальному об'ємі повітря.
Досліди відомого вітчизняного фізіолога рослин В.М. Любименко показали, що збільшення кількості вуглекислого газу в атмосфері до 1,5% призводить до прямо пропорційним зростанням інтенсивності фотосинтезу. Таким чином, один із шляхів підвищення продуктивності фотосинтезу - збільшення концентрації вуглекислого газу в повітрі.
Сучасний рівень технології, в цілому, дозволяє вирішити це завдання в глобальних масштабах. Однак дуже сумнівно, щоб чоловік зважився на практиці здійснити цей проект. Справа в тому, що більш високий рівень вмісту вуглекислого газу в повітрі призведе до зміни теплового балансу планети, до її перегріву внаслідок так званого «парникового ефекту». «Парниковий ефект» обумовлений тим, що при наявності великої кількості вуглекислого газу атмосфера починає сильніше затримувати випускаються поверхнею Землі теплові промені.
Перегрів планети може призвести до танення льодів в полярних областях та у високогір'ях, до підняття рівня Світового океану, до скорочення площі суші, в тому числі зайнятої культурною рослинністю. Якщо врахувати, що населення Землі збільшується на тижні на 1 мільйон 400 тисяч осіб, то зрозуміла крайня небажаність таких змін.
Людство дуже стурбоване природним зростанням концентрації вуглекислого газу в атмосфері, які спостерігаються в останні роки в результаті інтенсивного розвитку промисловості, автомобільного, залізничного та авіаційного транспорту. Тому воно навряд чи зважиться коли-небудь свідомо стимулювати цей процес в глобальних масштабах.
У теплицях і на полі збільшення вмісту вуглекислого газу має важливе значення для підвищення врожайності культурних рослин. З цією метою в теплицях спалюють тирсу, розкладають сухий лід на стелажах, випускають вуглекислий газ з балонів. Основний спосіб підвищення концентрації СО2 над полем - активізація життєдіяльності грунтових мікроорганізмів шляхом внесення в грунт органічних і мінеральних добрив. У процесі дихання мікроби виділяють велику кількість вуглекислого газу. В останні роки для збагачення грунту і пріпочвенного повітря СО2 поля стали поливати водою, насиченою вуглекислим газом.
Інший шлях подолання негативного впливу низької концентрації вуглекислого газу в атмосфері на врожай - поширення таких форм рослин, які дуже інтенсивно фотосінтезіруют навіть при мізерно малому його змісті. Це - С4 - рослини. У них рекордні показники інтенсивності фотосинтезу.
Поширення таких рослин, подальше вивчення особливостей їх фотосинтезу представляється вельми потрібним і перспективним.
Рослинність земної кулі досить неефективно використовує сонячну енергію. Коефіцієнт корисної дії у більшості дикорослих рослин становить всього 0,2%, у культурних він дорівнює в середньому одному%. При оптимальному постачанні культурних рослин водою, мінеральними солями коефіцієнт корисного використання світла підвищується до чотирьох - шести%. Теоретично ж можливий ККД, рівний восьми-десяти%. Зіставлення наведених цифр говорить про великі можливості у збільшенні фотосинтетичної продуктивності рослин. Проте практична їх реалізація зустрічає великі труднощі.
Підвищити ефективність використання сонячної енергії в ході фотосинтезу можна, розташувавши рослини на оптимальній відстані один від одного. У розріджені посівах значна частина світу пропаде дарма, а от у загущених рослини затінюють один одного, їх стебла стають довгими і ламкими, легко вилягають від дощу та вітру. У тому і іншому випадку відбувається зниження врожаю. Ось чому дуже важливо вибрати для кожної культури найбільш оптимальну відстань. При цьому слід враховувати, що оптимальна щільність посівів може бути різною в залежності від забезпеченості рослин водою, елементами мінерального живлення і від їх особливостей. На жаль, багато агрономи не беруть до уваги названі чинники, тому так повільно зростає продуктивність наших полів. Найбільш часто рослини неефективно фотосінтезіруют через нестачу води та елементів мінерального живлення. Якщо поліпшити умови водопостачання та харчування, то розміри листкової поверхні збільшаться, а між ними і величиною врожаю зазвичай існує пряма залежність. Проте існує певний межа зростання ефективності фотосинтезу, коли подальше поліпшення водопостачання і мінерального живлення не дає результатів. Справа в тому, що при певному розмірі листкової поверхні (звичайно, коли на 1 квадратний метр посівів припадає чотири-п'ять квадратних метрів листя) рослини поглинають практично всю енергію світла. Якщо ж на одиницю площі поля доводиться ще велика поверхня листя, то в результаті затінення їх один одним рослини витягнуться, інтенсивність фотосинтезу зменшиться. Ось чому подальше поліпшення постачання рослин водою та елементами мінерального живлення неефективно.
У чому ж вихід з положення, що? Вчені вважають, що у виведенні нових сортів культурних рослин, що відрізняються вигідним будовою тіла. Зокрема, вони повинні мати компактну низькорослу крону, з вертикально орієнтованими листям, володіти великими запасающими (цибулини, бульби, коріння, кореневища) та репродуктивними (насіння, плоди) органами.
На підвищення родючості грунту і поліпшення водопостачання ці сорти будуть реагувати посиленням інтенсивності фотосинтезу, помірним споживанням продуктів фотосинтезу (асимілятів), на зростання листя та інших вегетативних органів, а також активним використанням асимілятів на формування репродуктивних і запасающих органів.
Ось які жорсткі вимоги пред'являються тепер до науки, що займається виведенням нових сортів культурних рослин, - селекції. Зі сказаного ясно, що без тісної співпраці селекціонерів з фізіологами рослин створення перспективних сортів стає практично неможливим.
Селекціонери вивели сорти, що відповідають сучасним вимогам. Серед них - низькорослий рис, створений у Міжнародному інституті рису в Манілі, бавовник Дуплекс, з вертикально орієнтованими листям, не затінюють один одного, карликова пшениця мексиканської селекції. Ці сорти на фонах високої родючості дають у півтора рази вищі врожаї, ніж їх попередники. Проте це лише один із шляхів збільшення фотосинтетичної продуктивності рослин. Подальші зусилля повинні бути спрямовані на підвищення активності самого фотосинтетичного апарату
Як відомо, процес фотосинтезу здійснюється в особливих органоидах - хлоропластах. Тут відбувається безліч реакцій, перш ніж з вуглекислого газу і води утворюються молекули органічних речовин. Управляти цими процесами, безумовно, непросто, але можливо. Про це свідчить той факт, що інтенсивність фотосинтезу у різних рослин неоднакова. В одних листова поверхня площею в 1 квадратний дециметр засвоює за годину від чотирьох до семи міліграмів СО2, а в інших - 60 - 80 і навіть 100, тобто в 20 разів більше! Рослини неоднаково реагують на його низьку концентрацію в повітрі, інтенсивність освітлення і т.д.
Вивчення особливостей фотосинтезу в різних рослин, безумовно, буде сприяти розширенню можливостей людини в управлінні їх фотосинтетичної діяльністю, продуктивністю і урожаєм.

7. «Чародейкою зимою зачарований, ліс стоїть»
Цілком неживим здається нам зимовий ліс. У цю пору року у рослин різко загальмований обмін речовин, інтенсивність дихання в 200 - 400 разів менше, ніж влітку, припиняється видимий ріст. Проте процеси життєдіяльності йдуть: крохмаль перетворюється на цукру і жири, цукру витрачаються в процесі дихання.
Ну а як щодо фотосинтезу? Зрозуміло, мова йде не про березі або ліщини, які скинули своє листя ще восени, а про хвойних деревах і чагарниках, що зберегли свій фотосинтетичний апарат. В останні роки по цьому питанню отримані дуже цікаві дані. Вчені встановили, що озимі злаки, хвойні і деякі листяні вічнозелені рослини засвоюють вуглекислий газ навіть при температурах - 1. -5 ° С.
Використання методу мічених атомів дозволило більш детально прояснити це питання. При зниженні температури до -12 ° С швидкість фотосинтезу в різних рослин знижувалася в 3-17 разів. Найбільш стійкими виявилися ялина звичайна, сосна звичайна, ліннея північна - низькорослий лісової чагарничок з сімейства жимолостевих, лишайник леканора темна. Деякі мохи продовжували засвоювати вуглекислий газ навіть при температурі -14 ° С, причому цей процес йшов успішно під порівняно товстим сніжним покривом, що досягає 26 сантиметрів. Хоча інтенсивність світла, що проходить через такий шар снігу, слабшала приблизно в 20 разів, швидкість фотосинтезу у не покритих і покритих снігом рослин майже однакова. Цей дивовижний факт можна пояснити наступним чином: під снігом рослини виявилися в більш сприятливих температурних умовах, які й дозволили компенсувати падіння фотосинтезу, викликане зниженням освітленості.
Ці досліди переконливо показують, що в умовах багатомісячної зими фотосинтез не тільки можливий, а й необхідний для нормального енергозабезпечення зимовозелені рослин.
8. Ліси - легені планети!
Стало розхожим твердження, що зелені рослини накопичують в атмосфері кисень. Нерідко в науково-популярній літературі доводиться зустрічати твердження, ніби гектар кукурудзяних посівів виділяє за рік 15 тонн кисню, що достатньо для дихання 30 чоловік, а дерево середньої величини забезпечує трьох чоловік і т.д. Ліси називають легкими планети.
На перший погляд ці твердження представляються переконливими, адже відповідно до рівняння фотосинтезу в ході утворення органічних речовин зеленими рослинами і справді виділяється кисень, причому чим більше органічної речовини утворюється в процесі фотосинтезу, тим інтенсивніше виділяється кисень.
Автори подібних тверджень забувають, однак, що органічні речовини кукурудзи перетворяться на вуглекислий газ у результаті гниття і дихання тварин організмів. При поїданні кукурудзи тваринами або людиною певну кількість органічних речовин рослини трансформується в нові органічні речовини тваринного організму, які в кінцевому рахунку перетворюються на вуглекислий газ при диханні. Дихання - процес зворотний фотосинтезу:
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + бН2О.
Якщо при утворенні 1 тонни органічної речовини в ході фотосинтезу виділилося п кілограмів кисню, то точно таке ж його кількість буде потрібно для подальшого окислення цієї речовини.
Те ж саме відбувається і з деревом. Різниця лише в тому, що, перетворившись в яку-небудь виріб (стіл, шафа, віконну раму і т.п.), воно може руйнуватися протягом тривалого часу. Але ж і росте дерево сотні років! А ось згоріти може в одну мить. При цьому витратиться майже стільки кисню, скільки дерево виділив за все своє довге життя. Так накопичують чи кисень сучасні рослини?
В атмосфері та гідросфері Землі міститься 1,5-1015 тонн кисню. Вважається, що він - результат діяльності давніх анаеробних автотрофних організмів, що здійснювалася протягом тривалого періоду історії Землі. Нагромадження кисню на нашій планеті стало потужним стимулом для появи принципово нових організмів - аеробних, здатних отримувати енергію з органічних речовин в результаті окислювальних процесів за участю атмосферного кисню.
Кисень, утворений сучасної рослинністю в ході фотосинтезу, витрачається на дихання самих рослин (близько 1 / 3), а також тварин і людини, на аеробне розкладання органічних речовин мікроорганізмами і на процеси горіння різних речовин, тобто майже весь його обсяг, що виділяється наземної рослинністю , витрачається й накопичення в атмосфері фактично не відбувається. До того ж сумарна кількість кисню, що виділяється за рік лісами, за підрахунками фахівців, мізерно мало по відношенню до загального запасу його в атмосфері Землі, а саме близько 1 / 22 000. Таким чином, внесок наземних екосистем в баланс кисню на нашій планеті дуже незначний. Відшкодування кисню, що витрачається на процеси горіння, відбувається головним чином за рахунок фітопланктону. Справа в тому, що в досить глибоких водоймах відмерлі організми опускаються на таку глибину, де їх розкладання здійснюється анаеробним шляхом, тобто без поглинання кисню.
Гідросфера впливає на баланс газів в атмосфері ще й тому, що в ній інше співвідношення між азотом і киснем. Якщо в атмосфері воно дорівнює чотирьом, то у водоймах відносна частка кисню приблизно у два рази вище. Правда, інтенсивне забруднення морів і океанів створює загрозу виникнення в них анаеробних умов.
Так, наприклад, в порівнянні з 1900 роком у деяких западинах Балтійського моря вміст кисню різко скоротилося, а місцями він практично відсутній.
Що стосується атмосфери, то в ній, як показують систематичні спостереження за концентрацією кисню, що проводяться з 1910 року, зміст цього газу практично не змінилося, і Один 20,9488% ± 0,0017. Це аж ніяк не означає, що нам не слід дбати про збереження рослинного покриву Землі. Темпи використання кисню різко зросли. За деякими даними, за останні 50 років було використано його в% відношенні стільки ж, скільки за останній мільйон років, тобто приблизно 0,02% атмосферного запасу. Людству в найближчому майбутньому не загрожує кисневе голодування, проте для збереження стабільності газового складу атмосфери належить ширше використовувати водну, вітрову, ядерну та інші види енергій.
Слід мати на увазі, що в останні роки багато говорять і пишуть про абіогенне походження кисню атмосфери, яка виключає участь живих організмів у цьому процесі. Так, наприклад, у верхніх шарах атмосфери під дією жорсткого ультрафіолетового випромінювання молекули води можуть розпадатися на водень і кисень. Водень, як більш легкий газ, долає тяжіння Землі і йде в космос. У середньому близько 10% з'явився в стратосфері водню назавжди покидає нашу планету. Отже, відповідну кількість кисню, що утворився при фотолізі молекул води, залишається без «напарника» і поступово накопичується в атмосфері.
Інший можливий шлях надходження в атмосферу абіогенного кисню - виверження вулканів. Справа в тому, що в газоподібних виділеннях вулканів кисню досить багато, іноді до 12 - 15% (після виключення парів води і кислотних газів).
Відзначимо, однак, що це джерело представляється все-таки не дуже істотним. Принаймні потрібні вагомі докази і точні розрахунки вкладу абіогенних джерел у формування атмосфери Землі, накопичення в ній кисню.
Що ж стосується фотосинтезуючих організмів, то їх участь у накопиченні кисню очевидно. Якщо величину величезних запасів кам'яного вугілля і деяких інших горючих копалин (наприклад, торфу), використаних людиною і що є ще в надрах Землі, підставити в рівняння фотосинтезу, то можна розрахувати, скільки кисню надійшло в атмосферу в результаті життєдіяльності рослині, що дали початок цим корисних копалин .
Слід також врахувати всю біомасу існуючих нині рослин, органічна речовина яких утворилася з виділенням кисню.
Але все це ще не саме головне. Первинні запаси кисню не могли бути створені сучасними рослинами або деревами кам'яновугільного періоду, оскільки абсолютно виключена, можливість їх існування в атмосфері, позбавленій його.
Прихильники абіогенного походження кисню на Землі, люди, як правило, не досвідчені в біології, запитують: якщо спочатку в атмосфері Землі кисню не було, то де ж перші рослини брали кисень для дихання? При цьому вони вважають, що своїм питанням завдали нокаутуючий удар Ретроградам-біологам, що дотримується традиційного погляду на природу атмосферного кисню. Тим часом вчені ніколи не розглядали сучасну рослинність як джерело накопичення первинного кисню. У книзі Е. Броди «Еволюція біоенергетичних механізмів» грунтовно проаналізовано різні точки зору з цього питання. Автор пише: «Ніхто не сумнівається, що до появи в рослин фотосинтезу вміст вільного кисню було незначним. Єдиним джерелом вільного молекулярного кисню був фотоліз водяної пари у вищих шарах атмосфери, який протікав під дією сонячного короткохвильового ультрафіолету. Вільний водень, виникав при цьому, поступово діссіпіровал в простір, залишаючи в атмосфері кисень. Кількість фотолітіческі утвореного кисню, безсумнівно, було набагато нижче тих кількостей кисню, які вивільняються при фотосинтезі в наш час за той же проміжок часу ».
Вже в дуже древніх геологічних шарах Землі виявлені синьозелені водорості (зараз їх частіше називають ціанобактеріями), які і стали накопичувачами первинного кисню в атмосфері Землі. Цілком природно, що стародавні синьозелені водорості не мали здатність дихати і механізм розпаду органічних речовин у їхніх клітинах нагадував процес бродіння.
На користь того, що спочатку атмосфера Землі не мала кисню, свідчить факт існування в природі анаеробних організмів. Цікаво відзначити, що численні реакції обміну аеробних організмів, в тому числі сучасних жівотнихі рослин, включають велику кількість реакції анаеробного розпаду речовин. Створюється враження, що організми, пристосувавшись спочатку обходитися без кисню, завзято зберігають свою звичку.
Отже, первинні синьозелені водорості утворили органічні речовини і кисень. Руйнування органічної речовини відбувалося в анаеробних (безкисневих) умовах, що й призвело до накопичення значних кількостей кисню.
Що стосується сучасної рослинності, то, як вже зазначалося, її внесок в поповнення кисневого запасу на Землі дуже незначний, оскільки переважна більшість живих організмів окисляє органічні речовини лише з його допомогою. При цьому встановлюється відносна рівновага: скільки кисню виділяється в ході фотосинтезу, стільки ж його поглинається при окисленні утвореного органічної речовини.
Зі сказаного зовсім не випливає, що потрібно і далі безжально вирубувати на Землі лісу, все одно, мовляв, від них немає користі з точки зору накопичення кисню. Навпаки, нам слід докласти всіх можливих заходів до розширення площі зелених насадженні. Справа в тому, що в сучасну епоху дуже різко зросла роль рослині в очищенні природного середовища від токсичних домішок, що виділяються транспортом, заводами, фабриками і т.д.
9. «Ліс, точно терем розписної, ліловий, золотий, багряний»
Зміна забарвлення листя - одна з перших ухвалить осені. Багато яскравих фарб в осінньому лісі! Берези, ясени і липи жовтіють, рожевіють листя бруслини, яскраво-червоний-червоними стають візерункові листя горобини, помаранчевими і багряними листя осик. Чим же зумовлено це колірне різноманіття?
У листі рослин поряд із зеленим хлорофілом містяться інші пігменти. Для того щоб переконатися в цьому, виконаємо простий досвід. Перш за все приготуємо витяжку хлорофілу, як це було описано нами вище. Разом з хлорофілом в спирті знаходяться також жовті пігменти. Щоб розділити їх, невелика кількість спиртової витяжки (близько двох мілілітрів) наллємо в пробірку, додамо дві краплі води і близько 4 мілілітрів бензину. Вода вводиться для того, щоб легше відбувалося розшарування двох рідин. Закривши пробірку пробкою або пальцем, слід енергійно струснути її. Незабаром можна помітити, що нижній (спиртової) шар убрався в золотисто-жовтий колір, а верхній (бензиновий) - у смарагдово-зелений. Зелене забарвлення бензину пояснюється тим, що хлорофіл краще розчиняється в бензині, ніж у спирті, тому при струшуванні він зазвичай повністю переходить у бензиновий шар.
Золотисто-жовте забарвлення спиртового шару пов'язана з присутністю ксантофилла, речовини, нерозчинного у бензині. Його формула С40Н5бО2. По хімічній природі ксантофилл близький до каротину, присутнього у коренях моркви, - С40Н56, тому їх об'єднують в одну групу - каротиноїдів. Але каротин також є в листі зелених рослин, тільки він, як і хлорофіл, краще розчиняється в бензині, тому ми не бачимо його: інтенсивно-зелене забарвлення хлорофілу «забиває» жовтий колір каротину, і ми не розрізняємо його, як раніше ксантофилл в спиртовій витяжці. Щоб побачити каротин, потрібно перетворити зелений пігмент у з'єднання, нерозчинний в бензині. Цього можна досягти за допомогою лугу. У пробірку, де відбулося відділення ксантофилла, додамо шматочок лугу (КОН або NаОН). Пробірку закриємо пробкою і ретельно збовтати її вміст. Після розшарування рідин можна побачити, що картина розподілу пігментів змінилася: нижній спиртової шари убрався в зелений колір, а верхній - бензиновий - в жовто-оранжевий, характерний для каротину.
Ці досліди наочно свідчать про те, що в зеленому листі одночасно з хлорофілом присутні жовті пігменти - каротиноїди.
При настанні холодів утворення нових молекул хлорофілу не відбувається, а старі швидко руйнуються. Каротиноїди ж стійкі до низьких температур, тому восени ці пігменти стають добре помітними. Вони і надають листю багатьох рослин золотисто-жовтий і оранжевий відтінок.
Яке ж значення каротиноїдів в житті рослин? Встановлено, що ці пігменти захищають хлорофіл від руйнування світлом. Крім того, поглинаючи енергію синіх променів сонячного спектру, вони передають її на хлорофіл. Це дозволяє зеленим рослинам більш ефективно використовувати сонячну енергію для синтезу органічної речовини.
Осінній ліс пофарбований, однак, не тільки в жовті тони. З чим пов'язана лілова й багряна забарвлення листя? Поряд з хлорофілом і каротиноїдами в листках рослин є пігменти, які носять назву антоціанів. Вони добре розчиняються у воді і містяться не в цитоплазмі, а в клітинному соку вакуоль. Ці пігменти дуже різноманітні за забарвленням, яка залежить в основному від кислотності клітинного соку. У цьому легко переконатися на досвіді.
Перш за все приготуйте витяжку антоціанів. З цією метою листя бруслини або якогось іншого рослини, пофарбовані восени у червоні або фіолетові тони, подрібніть ножицями, помістіть в колбу, долийте води і нагрійте на спиртівці Незабаром розчин стане червонувато-синім від присутності антоціанів. Отриману витяжку пігментів налийте у дві пробірки. В одну додайте слабкої соляної чи оцтової кислоти, а в іншу - розчин аміаку.