Техника - молодёжи 2006-08, страница 38

3 6 2006 №08 ТМ

ЭХО ТМ

«ТЁМНЫЙ» ХЛОРОФИЛЛ

За два последних года редакция журнала «ТМ» опубликовала три статьи Олега Митрофанова. Первая (ТМ №2 за 2004) — о дисперсии электромагнитных волн в вакууме и обстановке в науке в годы становления Большой Ядерной и Квантовой Физики. Эта работа чрезвычайно интересна, и было бы неплохо, если бы журнал открыл дискуссию по этой самой фундаментальной проблеме следующего столетия, и авторы надеются принять участие в такой дискуссии. Две другие его статьи (ТМ №9-10 за 2005) о не менее фундаментальной проблеме фотосинтеза. Все эти три статьи блестяще написаны, читаются с огромным интересом, и в них трудно найти утверждения, про которые можно сразу же сказать, что они заведомо являются неправильными. Позже была опубликована (ТМ №3, 2006) достаточно положительная реакция одного из крупных радиофизиков профессора М.Е. Герценштейна на две последних статьи о фотосинтезе. Тем не менее остались незамеченными некоторые проблемы, которые возникают при дальнейшем углублении идей О. Митрофанова. Пока всё это сегодня выглядит достаточно ново и неожиданно.

Чтобы читатели могли понять наши замечания, не обращаясь к предыдущим номерам «ТМ», нам придётся сказать несколько слов о фотосинтезе. Кратко: реакция фотосинтеза — это образование высшими растениями, водорослями и фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других организмов, из простых соединений (как правило, углекислый газ и вода) за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом.

Отметим, что по современным представлениям ни СОг, ни вода непосредственно не поглощают свет, посредником во взаимодействии этих соединений с квантами служит именно хлорофилл, включённый в структуру хлоропласта или хрома-тофора и состоящий из нескольких сотен молекул пигмента и реакционных центров. Кислород не отрывается от молекулы СОг, но точно известно, что происходит её отрыв от молекулы воды. Основная часть сопровождающих хлорофилл пигментов — каротиноиды, фикобили-ны и другие, а коротковолновые

проф. Лев САПОГИН, проф. Юрий РЯБОВ

формы хлорофилла выполняют функцию светособирающей антенны. При поглощении квантов их молекулы переходят в возбуждённое состояние, которое передаётся на молекулу хлорофилла о, находящуюся в реакционном центре. Эффективность передачи энергии обусловлена близким расположением молекул, а также наличием нескольких агрегированных форм хлорофилла, участвующих в формировании реакционных центров и образующих нисходящую лестницу энергетических уровней. Возможен полупроводниковый перенос электрона по агрегированному пигменту в реакционный центр, где и происходит основной акт фотосинтеза — разделение зарядов с последующим образованием первичного окислителя и первичного восстановителя. Такова только малая часть всех современных головокружительных представлений о фотосинтезе, и весь этот вопрос нельзя считать решённым.

Именно благодаря этой реакции, на Земле появился свободный кислород, которого сначала не было, а затем и огромные запасы нефти, газа, угля. Всё наше существование на Земле обязано постоянным реакциям фотосинтеза, идущим с увеличением свободной энергии, поскольку наше дыхание, это, по существу, обратный фотосинтезу процесс. Любопытно, что 80% всего мирового производства кислорода дают планктон и водоросли мирового океана и только 20% образуется за счёт зелёной растительности и лесов планеты. Это ни в коем случае не оправдывает массовое истребление леса в России. Заметим, что это вообще единственный в природе процесс, пополняющий свободную энергию на Земле. Некая обобщённая химическая запись такого процесса имеет вид

СОз + 2№0 + (9 -г- 12) квантов — СИ О + О2 + II О.

В 1966 г. советская власть (которую теперь принято постоянно ругать) , понимая всю чрезвычайную и фундаментальную важность проблемы, создала Институт фотосинтеза АН СССР (ИФС в г. Пущино) для комплексного изучения механизма процесса фотосинтеза в растениях и микроорганизмах. Сама эта задача также имеет большое прикладное значение. Но проблема оказалась не по зубам современным физикам, и задача не была выполнена. Поэтому, чтобы замутить воду, ИФС был переименован в Институт биофизики, и

сотрудники отправились в свободное плавание по бескрайним проблемам биохимических процессов, освободив себя от непосильной задачи. По этому поводу О. Митрофанов делает несколько весьма едких замечаний, с которыми авторы заметки в принципе согласны.

Очень коротко основные идеи Митрофанова состоят в следующем: Молекулы хлорофилла резонируют на некоторых частотах видимой части солнечного света, а затем некоторая структура выпрямляет это напряжение, создавая постоянный ток, который и разлагает воду на кислород и водород как в обычном электролизе. Это классическая картина, которая и является новой комплексной идеей в фотосинтезе. Насколько нам известно, так эту важнейшую проблему никто не рассматривал. Но, как обычно, дьявол прячется в деталях. Сразу же вызывает некоторое сомнение, будут ли вести себя молекулы размером в несколько длин волн (это десятки тысяч ангстрем) как обычные маленькие проволочки. Хорошо бы это доказать в ка-ком-то прямом эксперименте. Это соображение, конечно, известно всем исследователям фотосинтеза, в этом они, не без оснований, серьёзно сомневаются, и поэтому столбовой дорогой является столь любимая проф. М. Герценштейном стандартная квантовая механика. Но и здесь ситуация совсем не лучше. Неясно, можно ли применять стандартную квантовую механику для таких гигантских объектов, как молекулы хлорофилла, молекулярный вес которой не менее 893. Вся проблема, наверняка, находится в пограничной области, где классическая квантовая механика ещё не работает, а стандартная электродинамика для проволочек уже не работает.

Энергия моля квантов красной части спектра составляет около 40 ккал/моль. Для фотосинтеза, идущего в соответствии с приведёнными рассуждениями, было бы достаточно поглощения энергии трёх квантов на молекулу СОг (или на выделение молекулы Ог). Однако в окислительно-восстановительной реакции от воды к СОг должны быть перенесены четыре электрона, причём перенос каждого из них осуществляется в ходе двух последовательных фотохимических реакций. Поэтому квантовый расход при оптимальных условиях составляет 9—12 квантов на молекулу Ог в многофотонном процессе.

Этот процесс легко понять на примере квантового гармонического осциллятора. Допустим, что нужно перевести электрон с нижнего энергетического уровня на верхний (главное квантовое число изменяет