Фотосинтез – единственный известный нам 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. Известные различия в объёмах 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 удаётся 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 приёмами селекции, агрохимии и генной инженерии не удаётся 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 всё, на что мы можем рассчитывать, - это 2-3-х кратное увеличение средней продуктивности сельскохозяйственных культур за счёт создания тепличных условий их разведения. Последнее, как известно, требует очень больших энергетических, материальных и трудовых затрат.

В методах селекции, агрохимии и генетики люди лишь повторяют природу. А сама природа, имея в своём распоряжении всю таблицу Менделеева, великое разнообразие форм жизни, массу физических, химических и биологических средств воздействия на фотосинтезирующие клетки, плюс три миллиарда лет эволюции, так и не смогла существенно повысить скорость фотосинтеза. Ни из прошлого, ни в настоящем науке не известны эффекты резкого, на несколько порядков, каталитического ускорения роста растительной биомассы. Даже такое мощное оружие жизни, как ферментативный катализ, оказалось бессильным перед барьером максимально достижимого естественного уровня скорости этого процесса.

Примечательный факт беспомощности естественной эволюции перед фотохимическим процессом можно объяснить только тем, что фактор, который так жестко лимитирует скорость фотосинтеза, лежит вне этого процесса, а его природа - неорганическая. Он сформировался во Вселенной задолго до появления растений, поэтому все фотосинтезирующие системы, в ходе своего исторического развития, были вынуждены просто к нему пассивно приспосабливаться, как заданной константе внешнего мира косной материи, которую невозможно изменить доступными жизни способами развития. Соответственно, решение проблемы увеличения скорости реакций фотосинтеза необходимо искать не в функциональных и морфологических таинствах растительных форм жизни, а на границе между жизнью и неорганической средой – в особенностях взаимодействия клеток растений с физико-химическими процессами природы.

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 фотосинтеза, позволяет выявить неорганический фактор, лимитирующий его скорость. Им является величина диссоциации углекислого газа в воде:

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, 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:

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 вышеприведённой таблицы видно, что с увеличением температуры с 20 до 50^оС 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, позволивший им выжить в условиях резкого понижения концентрации СО₂ в перегретых внутриклеточных растворах.

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.

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 света.

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.

Можно продолжить этот перечень «неудач» природной эволюции, но 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 смогут сами сформироваться в естественной природе без помощи сознательного управления человеком биохимическими процессами растительных форм жизни.

Рассматриваемый нами процесс диссоциации и активизации углекислоты в воде состоит из следующих основных стадий:

1 стадия: 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 стадия: образование фотосинтетически активных анион-радикалов углекислоты, вступающих далее в биохимические реакции цикла Кальвина:

Н *+ + НСО₃- Н₂О + СО₂*-
2Н *+ + СО3-2 Н₂О + СО₂ *-
h, ?
(образование протон-радикалов идёт по реакции: Н+ Н *+)

Здесь важно отметить, что воду можно насытить большим объёмом углекислоты, но при этом на ионы будет диссоциироваться только 0,1% от растворившегося объёма. Так концентрация водородных ионов в водных растворах СО₂ практически не зависит от давления – при увеличении давления от 100 до 2340 кПа и соответствующем повышении концентрации молекул углекислоты в воде с 2 до 80,5 г/л, рН раствора остаётся постоянным (3,2-3,5). Поэтому простым увеличением концентрации диоксида углерода во внутриклеточных растворах фотосинтез интенсифицируется незначительно. Например, повышение содержания СО₂ в атмосфере теплиц с 0,03 до 0,3% позволяет увеличить урожайность овощных культур в 1,5 раза, но потом углекислота начинает угнетать рост растений и скорость фотосинтеза резко падает.

Однако известно, что «кислая» вода более интенсивно растворяет углекислоту, причём как раз за счёт увеличения её диссоциации на ионы угольной кислоты. Если искусственно повысить во внутриклеточных реакционных растворах концентрацию активных протон-радикалов (Н *+), то можно увеличить в строме хлоропластов общее количество диссоциированных ионов (НСО₃- и СО3-2), которые способны тут же вступать в реакцию с протон-радикалами и преобразовываться в фотосинтетически активные анион-радикалы углекислоты (СО₂*-).

Для интенсификации процессов насыщения внутриклеточных водных растворов протон-радикалами мы предлогаем использовать реакцию естественного ядерного распада короткоживущего искусственного изотопа магния Mg28 (период полураспада – 0,891 суток, форма и энергия излучения: ?- - 0,459 Мэв; ? – 0,032-1,35 Мэв). Этим изотопом можно заместить в молекуле хлорофилла стабильные природные изотопы магния. На биохимической реакции поглощения световой энергии это никак не скажется, но он будет своим слабым ?- и ?-излучением способствовать дополнительному радиолизу воды на ионы, с последующей активизацией образовавшихся протонов УФ и ?-, ?-излучением до протон-радикалов.

Идентичность фото- и биохимических свойств всех изотопов магния в молекуле хлорофилла гарантирует сохранение избирательности реакций образования протон-радикалов в хлоропластах и митохондриях растительных клеток, их протекание по естественному механизму насыщения Н *+-резервуара и образования АТФазы в существующих клеточных формах. Малый период полураспада и слабая интенсивность излучения (на уровне естественного радиоактивного фона) гарантируют безопасность применения этого катализирующего фотосинтез изотопа. Прямой синтез изотопа Mg28, непосредственно в молекулах хлорофилла, внутри хлоропластов фотосинтезирующих клеток, из природных стабильных изотопов Mg24, Mg25 и Mg26 возможен способом внутриклеточного «холодного» ядерного синтеза по реакциям:

р+ + е- no + ?

Mg24, Mg25, Mg26 + no Mg28 + ?

(все формулы и рисунки можно получить, отправив запрос на нашу эл.почту)

Повышение производительности процесса фотосинтеза, кроме очевидных эффектов увеличения сельскохозяйственного производства и сокращения посевных площадей, принесёт и дополнительную экологическую пользу. Ускорятся процессы поглощения растениями избытка атмосферной углекислоты техногенного происхождения, угрожающей Земле «парниковым эффектом». Можно будет даже приступить к подземной термической газификации запасов связанного углерода, 99,5% которого сейчас законсервировано природой в громадных залежах карбонатных пород. Выделяющуюся при термическом разложении карбонатов углекислоту можно перевести ускоренным фотосинтезом в органические соединения растительной биомассы, возобновляемое производство которой станет реальной альтернативой экологически грязным технологиям добычи ископаемого топлива – нефти, газа, угля (0,02% мировых запасов связанного углерода).

Рофман Владимир Моисеевич

www.newchemistry.ru