Підвищення продуктивності процесу фотосинтезу принесе додаткову екологічну користь,
Підвищення продуктивності процесу фотосинтезу принесе додаткову екологічну користь.
У природному середовищі швидкість фотосинтезу практично однакова всім земних рослинних форм життя. Відомі розбіжності у обсягах первинної продуктивності фотосинтезирующих екосистем – від 3 р на 1м2 на рік (для голої пустелі) до 2500 р на 1м2 на рік (для середовища коралових рифів), пов'язані лише з відмінностями за умов їх існування. В ідеальних лабораторних середовищах вже досягнуто тієї межі, коли більше не вдається підвищити приріст біомаси ні збільшенням концентрації повітря вуглекислоти, ні підбором температурного і фотоенергетичного режиму, ні поліпшенням водопостачання і живлення рослин. В оптимальних умовах життєдіяльності рекордсмени за швидкістю фотосинтезу – одноклітинні водорості типу хлорели або сценедесмусу, не мають жодних особливих переваг перед фотосинтезуючими можливостями інших рослин. Всіми сучасними прийомами селекції, агрохімії та генної інженерії не вдається підвищити швидкість фотосинтезу в рослинних клітинах і на десяті частки відсотка понад досягнутий у природі максимум! Відповідно, якщо людство й надалі орієнтуватиметься у своїй продовольчій політиці на природну межу фотосинтезуючої здатності рослин, то все, на що ми можемо розраховувати, - це 2-3-кратне збільшення середньої продуктивності сільськогосподарських культур за рахунок створення тепличних умов їх розведення. Останнє, як відомо, потребує дуже великих енергетичних, матеріальних та трудових витрат. У методах селекції, агрохімії та генетики люди лише повторюють природу. А сама природа, маючи у своєму розпорядженні всю таблицю Менделєєва, велика різноманітність форм життя, масу фізичних, хімічних та біологічних засобів впливуна фотосинтезуючі клітини, плюс три мільярди років еволюції, так і не змогла суттєво підвищити швидкість фотосинтезу. Ні з минулого, ні в сучасному науці не відомі ефекти різкого, на кілька порядків, каталітичного прискорення росту рослинної біомаси. Навіть така потужна зброя життя, як ферментативний каталіз, виявилася безсилою перед бар'єром максимально досяжного природного рівня швидкості цього процесу. Примітний факт безпорадності природної еволюції перед фотохімічним процесом можна пояснити лише тим, що чинник, який так жорстко лімітує швидкість фотосинтезу, лежить поза цим процесом, яке природа - неорганічна. Він сформувався у Всесвіті задовго до появи рослин, тому всі фотосинтезуючі системи, в ході свого історичного розвитку, були змушені просто до нього пасивно пристосовуватися, як заданій константі зовнішнього світу відсталої матерії, яку неможливо змінити доступними для життя способами розвитку. Відповідно, вирішення проблеми збільшення швидкості реакцій фотосинтезу необхідно шукати не у функціональних та морфологічних таїнствах рослинних форм життя, а на межі між життям та неорганічним середовищем – в особливостях взаємодії клітин рослин з фізико-хімічними процесами природи. Якщо не забиратися в мікроскопічні глибини біохімії та морфології фотосинтезуючих клітин, процес фотосинтезу досить простий. Він складається з двох стадій – енергетичної та синтетичної. На першій стадії світлова сонячна радіація перетворюється, за допомогою хлорофілу (біохімічного фотоелемента), електрохімічні форми енергії, придатні для здійснення наступних реакцій біохімічного синтезу і отримання активного водню електролізом внутрішньоклітинної води. На другій стадії вуглець вуглекислотифіксується за циклом Кальвіна у вуглеводи та інші органічні сполуки. Саме дослідження другої – синтетичної фази фотосинтезу дозволяє виявити неорганічний фактор, що лімітує його швидкість. Ним є величина дисоціації вуглекислого газу у воді:
Усі біохімічні процеси синтезу та обміну речовин у клітині відбуваються у водних розчинах. Елементи та сполуки, у тому числі й активний вуглець вуглекислоти, засвоюються клітинними органоїдами лише у дисоційованому на іони вигляді. Тому від ступеня дисоціації СО2 у воді залежить і швидкість вступу вуглецю вуглекислоти в ключову, миттєву синтетичну реакцію його біофіксації з п'ятивуглецевим цукром у циклі Кальвіна. Це найвужче місце всього процесу фотосинтезу, яке неможливо розширити фізико-хімічними способами, доступними природною еволюцією рослинних форм життя. Ось деякі з випробуваних рослин методів підвищення концентрації дисоційованих іонів вуглекислоти у своїх внутрішньоклітинних водних розчинах: Стадія фіксації вуглецю в стромі хлоропласту чутлива до підвищення температури. Зі збільшенням температури підвищується швидкість обороту циклу Кальвіна, що могло б, в принципі, збільшити продуктивність фотосинтетичного процесу рослин, що живуть у спекотному, тропічному кліматі. Але з наведеної таблиці видно, що зі збільшенням температури з 20 до 50оС в 2,4 рази падає розчинність вуглекислоти у воді, що зводить нанівець весь можливий позитивний ефект термоприскорення С3-циклу. Більш того, цукровій тростині та колючим чагарникам у Долині Смерті (шт. Каліфорнія) довелося навіть виробляти спеціальний захисний С4-цикл фіксації вуглецю, що дозволив їм вижити в умовах різкого зниження концентрації СО2 у перегрітих внутрішньоклітинних розчинах.Вуглекислота набагато краще розчиняється в концентрованих сольових розчинах (наприклад, карбонатів) або органічних розчинниках (спирті, метанолі, ацетоні). Однак для клітин ці середовища є смертельно токсичними. Розчинність СО2 у воді може бути збільшена підвищенням тиску. Але реально тиск внутрішньоклітинної рідини може бути підвищений у кілька разів лише переміщенням рослин у глибини морів та океанів, де фотосинтез неможливий через відсутність світла. Недостатню розчинність вуглекислоти у питній воді можна компенсувати прискоренням процесів механічної циркуляції внутрішньоклітинних розчинів. Однак рослини в ході еволюції вже повністю вичерпали цей невеликий резерв продуктивності, на 100% задіявши всі фізико-хімічні можливості капілярно-осмотичних ефектів транспортування потоків та пропускної спроможності внутрішньоклітинних мембран. Можна продовжити цей перелік «невдач» природної еволюції, але й так уже ясно, що підвищити швидкість дисоціації вуглекислоти і, відповідно, швидкість всього фотосинтетичного процесу можна лише штучно оснастивши рослинні клітини фізико-хімічними «знаряддями», які не зможуть самі сформуватися у природній природі без допомоги свідомого керування людиною біохімічними процесами рослинних форм життя. Розглянутий нами процес дисоціації та активізації вуглекислоти у воді складається з наступних основних стадій: 1 стадія: насичення води газоподібною вуглекислотою, що надходить з атмосфери, з подальшою дисоціацією молекул вугільної кислоти на електролітично активні іони:
Н2О + СО2 Н2СО3 Н+ + НСО3 - 2Н+ + СО3-2
2 стадія: утворення фотосинтетично активних аніон-радикалів вуглекислоти, що далі вступають у біохімічні реакції циклу Кальвіна:
Н*+ + НСО3- Н2О + СО2*-
2Н * + + СО3-2 Н2О + СО2 * - h,? (Утворення протон-радикалів йде по реакції: Н + Н * +)
Тут важливо відзначити, що воду можна наситити великим обсягом вуглекислоти, але при цьому на іони дисоціюватиметься тільки 0,1% від об'єму, що розчинився. Так, концентрація водневих іонів у водних розчинах СО2 практично не залежить від тиску – при збільшенні тиску від 100 до 2340 кПа і відповідному підвищенні концентрації молекул вуглекислоти у воді з 2 до 80,5 г/л, рН розчину залишається постійним (3,2-3 ,5). Тому простим збільшенням концентрації діоксиду вуглецю у внутрішньоклітинних розчинах фотосинтез незначно інтенсифікується. Наприклад, підвищення вмісту СО2 в атмосфері теплиць з 0,03 до 0,3% дозволяє збільшити врожайність овочевих культур у 1,5 рази, але потім вуглекислота починає пригнічувати зростання рослин та швидкість фотосинтезу різко падає. Проте відомо, що «кисла» вода більш інтенсивно розчиняє вуглекислоту, причому за рахунок збільшення її дисоціації на іони вугільної кислоти. Якщо штучно підвищити у внутрішньоклітинних реакційних розчинах концентрацію активних протон-радикалів (Н *+), то можна збільшити в стромі хлоропластів загальну кількість дисоційованих іонів (НСО3- та СО3-2), які здатні відразу вступати в реакцію з протон-радикалами і перетворюватися у фотосинтетично активні аніон-радикали вуглекислоти (СО2*-). Для інтенсифікації процесів насичення внутрішньоклітинних водних розчинів протон-радикалами ми пропонуємо використовувати реакцію природного ядерного розпаду короткоживучого штучного ізотопу магнію Mg28 (період напіврозпаду – 0,891 діб, форма та енергія випромінювання: ?- - 0,459 Мев3; Цим ізотопом можна замістити у молекулі хлорофілу стабільні природні ізотопи.магнію. На біохімічній реакції поглинання світлової енергії це ніяк не позначиться, але він буде своїм слабким ?- і ?-випромінюванням сприяти додатковому радіолізу води на іони, з подальшою активізацією протонів, що утворилися УФ і ?-, ?-випромінюванням до протон-радикалів. Ідентичність фото- та біохімічних властивостей усіх ізотопів магнію в молекулі хлорофілу гарантує збереження вибірковості реакцій утворення протон-радикалів у хлоропластах та мітохондріях рослинних клітин, їх протікання за природним механізмом насичення Н*+-резервуару та утворення АТФази у існуючих клітинних формах. Малий період напіврозпаду та слабка інтенсивність випромінювання (на рівні природного радіоактивного фону) гарантують безпеку застосування каталізуючого фотосинтезу ізотопу. Прямий синтез ізотопу Mg28, безпосередньо в молекулах хлорофілу, всередині хлоропластів фотосинтезуючих клітин, із природних стабільних ізотопів Mg24, Mg25 та Mg26 можливий способом внутрішньоклітинного «холодного» ядерного синтезу за реакціями:
Mg24, Mg25, Mg26 + no Mg28 +? (Всі формули та малюнки можна отримати, надіславши запит на нашу ел.пошту)
Підвищення продуктивності процесу фотосинтезу, крім очевидних ефектів збільшення сільськогосподарського виробництва та скорочення посівних площ, принесе і додаткову екологічну користь. Прискоряться процеси поглинання рослинами надлишку атмосферної вуглекислоти техногенного походження, що загрожує Землі «парниковим ефектом». Можна навіть приступити до підземної термічної газифікації запасів пов'язаного вуглецю, 99,5% якого зараз законсервовано природою у величезних покладах карбонатних порід. Вуглекислоту, що виділяється при термічному розкладанні карбонатів, можна перевести прискореним фотосинтезом в органічнісполуки рослинної біомаси, відновлюване виробництво якої стане реальною альтернативою екологічно брудним технологіям видобутку викопного палива – нафти, газу, вугілля (0,02% світових запасів зв'язаного вуглецю).