ИЗКУСТВЕНАТА ФОТОСИНТЕЗА

[BG-Science]

ИЗКУСТВЕНАТА ФОТОСИНТЕЗА

Животът на Земята е немислим без фотосинтезата. Водораслите, висшите растения и някои типове бактерии непосредствено използуват слънчевото лъчение за «производство» на основни хранителни вещества; от своя страна животните живеят на гърба на растенията, като превръщат тяхната зелена маса в жизненоважни продукти. Следователно фотосинтезата е онзи първичен преобразовател, който по-нататък захранва цялотс Многообразие ла земния живот.

Без нея не можем да си представим и функционирането на нашата цивилизация. Почти 95% от използуваните днес горива — нефтът, природният газ, каменните въглища, различните видове биомаса — са концентрирана чрез фотосинтеза слънчева енергия.

Погледнато глобално, фотосинтезата е реакция, при която лъчистият поток се превръща в химична енергия на растителните тъкани. От лявата страна на химичното уравнение стоят водата и въглеродният двуокис, от дясната — някакъв въглехидрат и кислород. Тази простота обаче е измамна; междинно протичат множество сложни биохимични превръщания, чието разгадаване все още е трудна задача за науката. Биофизиците са заели вече подстъпите към нея и не е далеч денят, когато изкуствената фотосинтеза ще стане факт.

Сигурно ще попитате: а защо е необходима тя?

Първо, защото натрупаната през десетките милиони години енергия на природните горива ще бъде изразходвана само за няколко поколения. Второ, защото технизацията става причина рязко да се покачи съдържанието на въглероден двуокис в атмосферата; едно от последствията (не най-опасното) е «парниковият ефект», който може да стане катастрофален за климатичното равновесие. И трето, защото стотици милиони хора гладуват, макар реколтите да са високи; ефективността на природната фотосинтеза не ни задоволява и на всяка цена трябва да бъде повишена.

Нека се обърнем към цифрите. В изкуствени условия фотосинтезата има максимален коефициент на полезно действие 30%. Химическите реакции протичат само под действието на видимата област от слънчевия спектър, а тя е половината от общия по- ток — следователно ефективността спада до 15%. Около 40% от видимата светлина се отразява във водните басейни или попада в пустинни области — общата ефективност спада на 9%. Като се има предвид, че 40% от органичния материал се синтезира (почти без полза за нас) от фитопланктона — микроскопични растения по повърхността на океана — и много повече в растенията в горите, джунглите, тундрата и т.н., ефективността става много, много ниска. Нека дадем точната цифра: само 0,1% от слънчевия поток работи директно за изхранването на човека! Казано в абсолютна стойност — ЗЛО21 джаула.

Ето този толкова нисък процент смущава съвременната наука. Ерозията на почвата пречи да се увеличават площите с култури; реколтите могат да се повишат до определена граница, но за сметка на внасянето на микроелементи, които често се оказват опасни за здравето. Остава едно решение: да се повиши до максимална степен ефективността на фотосинтезата.

Това ще бъде една от големите задачи на XXI век. На първо време ще бъдат построени изкуствени фотосистеми; в тях като фоторецептори ще се използуват хлорофилът и други пигменти, изолирани от клетките, и ферментни системи, също взети направо от природата. Сиреч човекът ще използва на готово необходимите компоненти, но създавайки «изкуствени листа» с площ десетки и стотици квадратни метри.

Растенията синтезират белтъчини, нуклеинови киселини, липиди, въглехидрати, но те са само част от потребностите на човека. За да се получат пълноценни белтъчини, тези първични продукти трябва да минат през «преработвателния завод» на животните, където се синтезират биохимични съединения от много по-висш порядък. А не може ли тази вторична преработка да бъде заобиколена, тоест да се разработят фотосистеми, които да синтезират ценни съединения директно от слънчевата светлина? Тук думата има генното инженерство. Трябва да бъдат създадени хибридни гени с доста странни качества — получаване на полуживотни-полурастения. Ние все още не знаем как може да стане това, но задачата е принципно решима.

Известно е, че водородът е горивото на бъдещето. Още преди повече от четири десетилетия беше забелязано, че в анаеробни (без достъп на кислород) условия едноклетъчни водорасли губят способността си да отделят кислород и започват да произвеждат газообразен водород. Това сега наричаме фотоотделяне на водород от растителните клетки. Успехите са насърчаващи и вероятно след две-три десетилетия голяма част от горивото за транспортните средства ще се добива по този начин.

Много важно е разумното оползотворяване на биомасата — стъбла, корени, дървесина и дървени отпадъци, които не се използуват за хранене на животните и човека. Всички те съдържат изключително ценно съединение — целулоза. По-нататъшната преработка на целулозата е една от главните задачи пред биохимията. Може по химичен път или чрез ферменти от нея да се получи гликоза, от която след това да се синтезират някои белтъчини. От целулозата може да се получават спирт и горивни газове — водород и метан.

Към средата на следващия век вероятно ще настъпи истинско царство на фотобиониката. В лабораторни условия ще бъдат създавани изкуствени растения с различни качества и точно определени функции. Тези нови чудати творения на човека ще живеят по най-слънчевите територии и ще дават странни плодове. Енергията на нашата звезда ще се използува пълноценно: за гориво, за вкусна и калорична растителна и животинска храна, може би за някои специални материали. Човекът и растенията ще станат приятели, защото имат насъщна нужда от взаимопомощ.