Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
В основе процессов жизнедеятельности лежит трансформация энергии солнечного излучения в энергию химических связей при фотосинтезе и в случае аэробных организмов — медленное "сжигание" органических веществ при окислении их кислородом воздуха в процессах дыхания. Цикл кислорода можно представить простой схемой:
Фотосинтез-^
Дыхание-Ог
— Н2О2--^
Катализ
В биологическом круговороте кислорода, воды и углерода основная роль принадлежит фотохимическим процессам.
Особого успеха в осуществлении фотосинтеза достигли наземные растения. Не случайно для многих древних религий характерно поклонение дереву. Деревья играют планетарную роль в биохимическом круговороте воды. Вода, всасываемая корнями, поднимается по капиллярам ствола и ветвей дерева к листьям, в которых содержатся так называемые хлоропласты, где и протекает фотосинтез.
Хлоропласты — это специальные органеллы клетки. Типичная растительная клетка содержит 50—200 хлоропластов, каждый длиной около 1 мкм. Хлоропласты имеют систему внутренних мембран, так называемых ламелл, в которых локализованы фотосинтетические пигменты. Ламеллы образуют многослойные структуры, упакованные в пачки — граны.
Фотосинтезу в листьях сопутствует испарение воды с их поверхности (это явление называется транспирацией), осуществляемое через своеобразные "щели" (устьица, ширина которых меняется от 0 в зак-
85
Г"
нго «•
рытом состоянии до 10 мкм в полностью раскрытом). На 1 мм2 поверхности листа может находиться несколько сотен таких устьиц — до 1% площади листа при их полном раскрытии. Вследствие транспирации листья не перегреваются на прямом солнечном свету. Например, береза за день испаряет в среднем 400 л воды.
Образование органического вещества из неорганической материи представляет собой первичную продукцию фотосинтеза. Ежегодно в процесс фотосинтеза на нашей планете вовлекается 38 км3 воды. Механизм фотосинтеза до конца еще не ясен.
Исследование фотосинтеза было фактически начато еще в 1650 г., когда естествоиспытатель Ван Гельмонт вырастил ивовое дерево из 5-фунтового саженца, посаженного в 200 фунтов почвы. Через 5 лет дерево весило 570 фунтов, а земля ~ 199 фунтов. Ван Гельмонт предположил, что увеличение веса дерева произошло за счет воды, которую он добавлял в почву.
Столетие спустя было обнаружено, что зеленые листья, помещенные в воду, под действием Солнца выделяют пузырьки газа, а Джозеф Пристли в 1771 г. доказал, что выделяемый зелеными растениями в дневное время газ не что иное, как Ог-
Несколько позже было показано, что для выделения 02 растениям необходимы зеленые листья и свет. В 1782 г. Сенебье показал, что растениям для выделения Ог необходим углекислый газ, и это открытие привело к выводу, что С02 является источником всех органических веществ в растениях.
К середине прошлого столетия ученые пришли к выводу, что энергия, поступающая в виде солнечного света, запасается в форме химической энергии. И лишь в 20-е годы нашего столетия микробиолог Ван Ниль положил начало формированию современных представлений о фотохимических превращениях при фотосинтезе.
В природе обнаружены два основных типа фотосинтетических организмов.
Первый — фотосинтезирующие бактерии (пурпурные и зеленые), которые восстанавливают С02 до углеводородов, но не способны окислять воду до 02. В качестве доноров они используют не Н20, а органические и серные соединения (уксусная и пировиноградная кислоты, Н2, тиосульфата) и запасают относительно мало энергии. Многие фотосинтезирующие бактерии способны к фотоассимиляции N2.
Второй — зеленые растения и водоросли (красные, зеленые, сине-зеленые и др.), которые наряду с восстановлением С02 окисляют воду до 02. Ключевым процессом запасания солнечной энергии в виде химической является как раз окисление воды до 02.
Известны три молекулы (Н20, С02, N2), способные к образованию в
86
фотосинтетических процессах химических соединений, богатых свободной энергией. Ниже приведены фотосинтетические реакции с участием этих молекул с указанием количества запасаемой свободной энергии в расчете на перенесенный под действием света электрон:
дав
Н20-> Н2 + У2 ^2 - разложение воды 1,23
бе
С02 + 2Н20-> СНаОН + 3/г 02 - восстановление 0О2 1,21
С02 4- Н20-> СН4 + 202 - восстановление С02 1,06
Зе
N2 + ЗН20-> 2№Нз + 3/г Ог - восстановление N2 1,17
Щ+Ж20-^+ЩШ4 + 02- ->- 1,10 4е
С02 + Н20-> 1/е СбН^гОв + 02 - реакция фотосинтеза 1,25
Окисление воды является наиболее фундаментальной реакцией. В каждой, фотосинтетической реакции вода участвует как восстановительный агент — донор Н.
Для образования одной молекулы 02 из двух молекул Н20 необходимо перенести четыре электрона, как и для восстановления С02 до уровня глюкозы:
2Н20 -> 02 + 4Н+ + 4е"
4е- -Ь 4Н+ 4- СО2 -> СН2Р + Н20
Н20 + СО2 -> {СНгО} + 02
Природный процесс фотосинтеза протекает как бы в два этапа: первый -— образование О2 при поглощении четырех квантов света и восстановительных эквивалентов {2Н}:
Н20~+{2Н} + У202
второй — темновая стадия синтеза органического вещества:
