Фотосинтез туралы 20 қызықты дерек – күн сәулесін тамаққа айналдыратын өсімдіктер технологиясы

Жер бетіндегі тіршілік Күн деп аталатын жұлдыздан үздіксіз келетін энергия ағынының арқасында өмір сүреді. Алайда тірі ағзалардың басым бөлігі бұл қуатты тікелей пайдалана алмайды, олар жарықты сіңіріп, оны қоректік әрі сіңімді затқа айналдыратын делдалға мұқтаж. Осындай рөлді миллиардтаған жыл бойы өсімдіктер, балдырлар және кейбір бактериялар атқарып келеді. Олар қолданатын үдеріс фотосинтез деп аталады және күрделілігі, тиімділігі мен ауқымы жағынан табиғатта да, адам қолымен жасалған жүйелерде де теңдесі жоқ. Әр секунд сайын бұл үнсіз механизм ғаламшардағы триллиондаған жасушада жұмыс істеп, біз білетін тіршілікті сақтап тұр.

1. Фотосинтез – планетадағы ең көне биохимиялық үдерістердің бірі. Алғашқы фотосинтездеуші ағзалар саналатын цианобактериялар шамамен 3,5 миллиард жыл бұрын пайда болған. Дәл солар атмосфераны оттекпен байытып, күрделі тіршілік формаларының дамуына жол ашқан.
2. Процестің жиынтық теңдеуі қарапайым көрінеді. Алты көмірқышқыл газы молекуласы мен алты су молекуласы жарық әсерінен бір глюкоза молекуласына және алты оттек молекуласына айналады. Алайда осы қысқа формуланың артында қатаң тәртіппен жүретін жүздеген химиялық реакция жатыр.
3. Фотосинтез екі түбегейлі кезеңге бөлінеді. Жарық реакциялары фотондардың қатысуымен өтіп, жасушаны АТФ түріндегі энергиямен қамтамасыз етеді. Қараңғы реакциялар деп аталатын Кальвин циклі осы энергияны пайдаланып органикалық қосылыстар синтездейді және тікелей жарықты қажет етпейді.
4. Хлорофилл көрінетін спектрдің барлығын сіңірмейді. Жапырақтың жасыл түсі пигменттің жасыл сәулені шағылыстыруымен түсіндіріледі, ал қызыл мен көк толқындар жұтылып, жұмыс барысында қолданылады. Фотосинтетикалық жүйе шамамен 430 және 680 нанометр ұзындықтағы толқындарға бейімделген, себебі бұл аймақтар энергетикалық тұрғыдан ең тиімді.
5. Өсімдіктер оттекті жанама өнім ретінде бөледі. Біз тыныс алатын молекулалық оттек су молекуласының ыдырауы нәтижесінде түзіледі және фотосинтездің «қалдық» өнімі болып саналады. Егер фотосинтездеуші ағзалар үздіксіз жұмыс істемесе, атмосферадағы бұл газдың қоры он мың жылға жетпей таусылар еді.
6. Энергияны түрлендіру тиімділігі салыстырмалы түрде төмен. Көптеген өсімдіктер сіңірілген күн энергиясының небәрі 1–2 пайызын ғана химиялық байланысқа айналдырады. Қант қамысы мен жүгері С4 жолы деп аталатын ерекше механизмнің арқасында 8 пайызға дейін жететін жоғары көрсеткіш көрсетеді.
7. Хлоропластар – ежелгі бактериялардың ұрпағы. Линн Маргулис ұсынған эндосимбиоз теориясына сәйкес, олардың арғы тегі бір кезде дербес тіршілік еткен цианобактериялар болған. Шамамен бір жарым миллиард жыл бұрын оларды иесі жасуша жұтып, өзара тиімді симбиоз мәңгілікке орныққан.
8. Терең сулы ағзалар күн сәулесінсіз де фотосинтез жүргізе алады. Гидротермалдық көздер маңындағы кейбір бактериялар ыстық жыныстардан шығатын инфрақызыл сәулені пайдаланады. 2005 жылы жасалған бұл жаңалық өмірдің басқа планеталардағы мүмкін шегін кеңейтті.
9. Әлем ормандары көміртекті орасан көлемде сіңіреді. Жыл сайын олар шамамен 2,6 миллиард тонна көмірқышқыл газын байланыстырады, бұл антропогендік шығарындылардың үштен біріне жуық. Амазон тропиктік орманы осы себепті бейресми түрде «Жердің өкпесі» аталады.
10. Фотосинтетикалық реакциялардың жылдамдығы таңғаларлық. Алғашқы фотохимиялық оқиға саналатын қозған электронның тасымалдануы секундтың триллионнан бір бөлігінде өтеді. Бөлме температурасында адам жасаған ешбір химиялық реактор мұндай жылдамдықты қайталай алмайды.
11. Балдырлар Жердегі оттектің жартысын өндіреді. Микроскопиялық өлшеміне қарамастан, дүниежүзілік мұхит фитопланктоны құрлықтағы барлық өсімдіктермен тең мөлшерде оттек бөледі. Планктон балдырлары көзге көрінбесе де, ғаламдық газ алмасудың ажырамас қатысушысы.
12. Фотосинтез барлық қоректік тізбектердің негізі. Наннан бастап етке дейінгі кез келген тағам осы үдеріске тәуелді. Тіпті жыртқыш жануарлардың өзі түптеп келгенде фотосинтездеуші ағзалар өндірген бастапқы өнімге сүйенеді.
13. Кейбір паразит өсімдіктер фотосинтезден бас тартқан. Сұңғыла, арамсояу және раффлезия органикалық затты өз бетінше өндіру қабілетін жоғалтып, иесі өсімдіктер есебінен қоректенеді. Эволюция кей жағдайда паразиттік өмір салтын тиімді деп таңдаған.
14. Жасанды фотосинтез – ғылымның басым бағыттарының бірі. Әлем ғалымдары су мен күн сәулесінен сутек отынын өндіретін құрылғылар жасауға талпынуда. Егер бұл идея толық іске асса, жаһандық энергетика түбегейлі өзгеруі мүмкін.
15. Жапырақтар жоғары дәлдіктегі оптикалық құрал секілді құрылған. Олардың жалпақ пішіні фотондарды барынша ұстауға мүмкіндік береді, ал ішкі жасушалардың орналасуы жарықты хлоропластарға бағыттайды. Беткі балауыз қабаты булануды азайтады және қажетті толқындардың өтуіне кедергі жасамайды.
16. Күзгі жапырақ бояуы фотосинтездің әлсіреуімен тікелей байланысты. Күн қысқарып, температура төмендегенде хлорофилл ыдырап, жаз бойы бар болған сары және қызғылт сары каротиноидтар көрінеді. Қызыл антоциандар жапырақ түсер алдындағы қоректік заттарды қайта пайдалану кезеңінде ультракүлгіннен қорғаныс ретінде жаңадан синтезделеді.
17. Фотосинтез көмірқышқыл газы концентрациясына сезімтал. Атмосферадағы CO₂ мөлшері артқанда көптеген өсімдіктердің өсуі жеделдейді және бұл құбылыс «көмірқышқыл газымен тыңайту» деп аталады. Алайда климаттың жылынуы мен жауын-шашын режимінің өзгеруі бұл өсімдікті жиі бейтараптандырып, кейде кері әсер беруі мүмкін.
18. Кванттық физика фотосинтез жұмысына қатысады. Соңғы зерттеулер фотосинтетикалық кешендер ішіндегі энергия тасымалы кванттық когеренттілік құбылысын пайдалану арқылы жүретінін көрсетті. Бұл өсімдіктер қозуды реакциялық орталыққа барынша тиімді жеткізу үшін кванттық әсерлерді қолданатынын білдіреді.
19. Фотосинтез қазба отын кендерін қалыптастырды. Көмір, мұнай және табиғи газ – жүздеген миллион жыл бұрын фотосинтездеуші ағзалар жинаған күн энергиясының сақталған түрі. Адамзат бұл ресурстарды жағу арқылы табиғат геологиялық дәуірлер бойы жинаған көміртекті бірнеше ғасыр ішінде босатып отыр.
20. Марсқа бағытталған миссиялар Жерден тыс фотосинтез мүмкіндігін зерттеуде. Кейбір экстремофиль цианобактериялар өте төмен қысым мен жоғары радиация жағдайында тіршілік ете алады, бұл марстық ортаға ұқсас. Тәжірибелер жекелеген штамдардың Қызыл ғаламшар атмосферасына тән CO₂ концентрациясында өсе алатынын көрсетті және бұл биотерраформалау туралы теориялық болжамдарға жол ашады.

Фотосинтез – мектеп оқулығындағы тақырып қана емес, бүкіл биосфераның іргетасы. Климат өзгерісі мен баламалы энергия көздерін іздеу дәуірінде бұл үдерісті түсіну бұрынғыдан да маңызды. Атомды бөлшектеп, ашық ғарышқа шыққан адамзат күн сәулесі астында шөп жапырағы әр сәтте атқаратын істі әлі толық қайталай алмай отыр. Ғылым осы механизм құпиясына тереңдеген сайын бір шындық айқындала түседі – табиғат әлі де ең үздік инженер және біз одан үйренуді жалғастыра береміз.