Четыре или восемь? И сегодня нет однозначного ответа. Измеряемые эффекты оказались очень тонкими. Поэтому в научной литературе можно встретить величины квантового расхода самые разные, от 3 до 12.
— Насколько важна эта проблема? — спросил я у Белла.
— Ну, прежде всего, мне кажется, — отвечал он, — здесь уместно будет вспомнить слова Тимирязева, который писал о том, что каждый луч солнца, не уловленный зеленой поверхностью поля, луга или леса, — богатство, потерянное навсегда, что это «кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка».
Растения все еще остаются для человека высоким образцом, — продолжал ученый. — И знать, что обещает самое лучшее и совершенное в природе, крайне важно. Во всем мире сейчас начинается настоящий солнечный бум. Причины тут коренятся в энергетических и экологических трудностях. Многие ученые, инженеры, конструкторы и изобретатели строят различные варианты искусственных листьев, которые должны использовать даровую энергию Солнца. Поэтому проблема квантового расхода остается актуальной: нам надо твердо знать, на что мы тут можем надеяться…
Вот теперь, познакомившись с понятием квантового расхода, уже можно оценить потенциальный КПД растений. Приведем простые соображения, они принадлежат академику Александру Абрамовичу Красновскому.
Чтобы связать между собой молекулы воды и углекислого газа и образовать молекулу глюкозы, достаточно трех квантов красного света. Растения же реально поглощают больше: от 8 до 12. Возьмем среднюю величину — 10 квантов. Таким образом, они действуют с КПД примерно 30 процентов.
Но растения способны использовать далеко не всякое излучение. Ультрафиолет, хотя здесь энергия лучей наибольшая, для них недоступен. Не по вкусу растениям и инфракрасная область спектра. Инфракрасные лучи очень бедны энергией, их утилизируют лишь некоторые виды фотосинтезирующих бактерий.
Итог: лишь половина доступной для растений энергии солнечного излучения, та, что лежит в видимой области солнечного спектра, является для растений фотосинтетически полезной радиацией. А посему и получается: максимально возможный КПД растений при фотосинтезе составляет примерно 30 : 2 = 15 процентов.
Дальше рассказ хотелось бы вести столь же бесхитростно, как бесхитростно, незатейливо рисуют маленькие дети… Вот паровоз с трубой, из трубы валит черный дым. А рядом оранжевый цветок — головка на тонком стебле с зелеными ручками-листиками.
Если поглядеть на эту картинку глазами взрослого, можно отметить классификационное свойство, включающее в некое единство и цветок, и паровоз. Ведь и то, и другое в конце концов — энергетические машины. Паровоз преобразует в движение запасенную в угле химическую энергию. А растение превращает энергию световых квантов в химическую энергию продуктов фотосинтеза.
Максимально возможный КПД тепловой машины определил, как известно, французский физик Сади Карно (1796–1832). Еще в 1824 году. Его расчеты покоились на законах тогда только зарождавшейся науки — термодинамики. Сейчас наши познания в ней обширны. Так нельзя ли попытаться приложить те же законы к растениям? Ведь добились же ученые и инженеры того, что КПД современных тепловозов в несколько раз выше, чем у паровоза!
Подобные попытки делаются давно. О выводах, которые следуют, если приложить законы термодинамики к биологическим объектам, говорили и писали, в частности, еще Климент Аркадьевич Тимирязев, Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) и другие наши ученые. В Днепропетровском химико-технологическом институте имени Дзержинского новое научное направление — термодинамику растений — стал развивать доктор химических наук, профессор Октавиан Станиславович Ксенжек.
— Располагаясь на границе между почвой и атмосферой (борода корней в земле, шевелюра листьев в воздухе), растения обеспечивают интенсивный обмен веществом между ними, — рассказывал Ксенжек. — Все эти процессы должна рассматривать термодинамика растений. Надо детально разобраться в структуре энергетических затрат отдельного растения.
Эти слова Ксенжека свидетельствуют: ученые сейчас хотят понять, куда теряются кванты света и нельзя ли уменьшить величину этих потерь. Ведь тогда, очевидно, максимально возможный КПД растений значительно возрастет. А вместе с ним поднимутся реальные урожаи.
Если же заглянуть еще дальше, то, учитывая тенденцию к возрастанию энергетической цены единицы урожая при интенсификации сельскохозяйственного производства, нужно будет термодинамическими методами рассмотреть и общие принципы, определяющие условия энергообмена между биологической и технической подсистемами сельского хозяйства. Таким образом можно будет оценить уровни неизбежных затрат энергии и, сравнивая их с реальными, судить о степени совершенства различных процессов сельскохозяйственного производства с точки зрения энергетики.
Добавим к этому: кто самый крупный потребитель энергии? Не металлургия, не транспорт, не химическая промышленность, а… сельское хозяйство! За несколько летних месяцев растительный покров — эта гигантская энергопреобразующая машина, распластавшаяся по поверхности земли, получает от солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывают за целый год все электростанции страны.
Оперируя первым и вторым началами термодинамики, удается дать ответ не на один «наивный» вопрос. Скажем, отчего одиночная клетка микроскопически мала? Да потому что количество световой энергии, поглощаемой клеткой, пропорционально квадрату ее радиуса, а диффузионный поток необходимых клетке веществ этому радиусу обратно пропорционален. И с увеличением размера клетки быстро нарастает диспропорция между обилием энергии и скудостью материального баланса, оттого-то клетка и обречена быть столь ничтожно малой.
Иной энергетический расклад существует для многоклеточных организмов, растений, например. Количество энергии, поступающей к растению, приближенно пропорционально квадрату его размеров, а объем зон питания — корни, листва — даже пропорционален кубу размеров. И все же растений-гигантов мы не наблюдаем. Отчего? Дело в том, что при достаточно больших размерах транспортная система растения становится лимитирующим звеном: энергозатраты на поддержание работы транспортной системы — подача в растение минеральных солей, воды, отвод продуктов — растут пропорционально третьей степени размера растения, то есть возрастают быстрее, чем увеличиваются его энергоресурсы.
Ксенжек, делая простейшие оценки, приводя несложные формулы, демонстрирует мне (все это похоже на ловкие термодинамические фокусы, трюки), как ладно, тонко сообразованы отдельные звенья и узлы растительной машины. Допустим, проблема «лист — стебель»: оказывается, между радиусом стебля и площадью листьев имеется четко прослеживаемое соответствие, эти параметры ювелирно подогнаны друг к другу.
Говорил Ксенжек и о проблемах интеграции, о том, как из малого, из крох возникает большое, величественное.
На небольшой лист растения площадью 50 квадратных сантиметров под прямыми лучами солнца за одну секунду падает около 1019 квантов света. Столько же капель дождя выпадает за целый год на весь бассейн Волги — на треть европейской территории СССР.
— Слияние мириадов капель в могучую реку, — объясняет Ксенжек, — происходит как многоуровневый иерархический процесс: отдельные капли сливаются в мелкие струйки, струйки объединяются в ручейки, ручейки — в ручьи покрупнее, ручьи — в речушки, в реки и т. д. Иерархический характер с неизбежностью приобретают любые транспортные системы, будь то естественные или технические, если масштабы потоков на входе и выходе системы сильно различаются. Возьмем систему электропередачи: на дальние расстояния электроэнергия передается напряжением в сотни киловольт, на средние расстояния — десятки киловольт, в пределах городского района порядка 6 киловольт, и, наконец, потребители в жилых домах имеют напряжение 0,22 киловольта…
В этой беседе узнал я о многом. Особенно запомнилось мне то, как изящно решает растение проблему сбора солнечного урожая и его последующей переработки. Пигментный аппарат растений прошел долгий путь эволюционных изменений. Постепенно происходило разделение труда между различными молекулами хлорофилла, которые, когда их еще было мало, в примитивных перворастениях, возможно, все выполняли одинаковые функции, совмещая непосредственное улавливание световой энергии и фотохимический катализ. Однако эти молекулы хлорофилла, действующие по принципу «и швец, и жнец, и на дуде игрец», не могли обеспечить в достаточной степени снабжения организма растений световой энергией. Пришло время специализации. И с возрастанием мощи фотосинтетического аппарата все большая часть молекул хлорофилла получала вспомогательную роль.
В пчелином улье на одну матку трудятся многие десятки тысяч рабочих пчел. Они собирают нектар, пыльцу, выкармливают личинок… Нечто подобное наблюдается и при фотосинтезе. Подавляющее большинство молекул хлорофилла выполняет лишь обслуживающие функции — сборщиков квантов света. Перебрасывая фотоны, словно мячики, хлорофиллы-сборщики практически без потерь доносят поглощенную энергию до так называемых реакционных центров. И вот в этих-то центрах несколько молекул хлорофилла (химически они ничем не отличаются от молекул-сборщиков) способствуют стоку и переработке энергетического урожая.
Каждый центр может в секунду переработать около 50 квантов света. Их надо собрать, что непросто, ибо даже при ярком освещении на каждую молекулу зеленого пигмента приходится лишь один поглощенный квант в секунду, а при слабом освещении даже за десятки секунд. Если бы фотохимическая реакция шла в той же молекуле хлорофилла, которая только что поглотила фотон, то подобная система работала бы очень неэффективно, простаивая большую часть времени. Оттого-то каждый реакционный центр и обслуживает сотни молекул-сборщиков…