Глазами Монжа-Бертолле

Самое удивительное: хлорофилл работает как полупроводник.

Когда электрон перескакивает в зону проводимости, на ступеньке, где он сидел, остается пустое место. Но это не просто «дырка от бублика». Отсутствие электрона эквивалентно появлению единичного положительного заряда. Поэтому «дырка» притягивает к себе электрон, как бы зовет его обратно. Но, вознесенный квантом света в зону проводимости, он и не думает возвращаться обратно.

Такое состояние очень неустойчиво. Обычно оно продолжается лишь миллионные доли секунды. Затем энергия электронного возбуждения переходит в другие формы. Например, в тепловую: начинают вибрировать валентные связи-пружинки, атомы одной молекулы соударяются с атомами соседней. Вещество разогревается.

Конечно, это не единственный вариант. Электрон может упасть на прежний энергетический уровень, заполнив своей персоной «дырку» и высветив квант энергии. Такое падение проявит себя в виде флуоресцентного свечения. И тогда хлорофилл просто-напросто возвратит «ссуду», выданную ему Солнцем, так и не пустив ее в оборот. Нас же интересует другой случай: каким путем кипучая энергия электрона преобразуется в энергию биохимического «топлива»?

Известно, что при фотосинтезе зеленый лист вырабатывает углеводы, усваивая углекислый газ и выделяя кислород. Реакция протекает с поглощением энергии: СО2 + H2O + 112 ккал = (CH2О) + O2. Энергия солнечного луча переходит в энергию валентных связей. И легко высвобождается при обратном процессе: (CH2O) + O2 = СО2 + H2O + 112 ккал. Например, при сгорании глюкозы в нашем организме (глюкоза может гореть и в пробирке). И это естественно: полная энергия системы понижается. Зато обратить вспять ход процесса, заставить углекислоту и воду превратиться в углевод несравненно труднее. Здесь химику не обойтись без катализаторов, повышенных давлений и температур. А зеленый лист проделывает эту операцию легко и просто.

Молекула хлорофилла состоит из двух частей. Первая — остаток спирта фитола — представляет собой линейную углеводородную цепочку. Вторая и самая главная — так называемое большое порфириновое кольцо. Оно, в свою очередь, составлено из малых циклов — пятичленных, с атомами азота, обращенными внутрь и охватывающими центральный атом магния. Перед нами замкнутая система сопряженных связей. По этой кольцевой трассе и начинает свой вояж возбужденный электрон. Такой циркулирующий ток не связан с энергетическими потерями. Молекула переходит в метастабильное состояние. Оно более устойчиво, чем обычное возбужденное, и может сохраняться в течение отрезка времени, который в миллионы раз длиннее.

А что же будет потом — по истечении этих нескольких десятитысячных долей секунды?

Энергия фотохимической активации перекочевывает вместе с электроном на соседнюю молекулу. Да, на соседнюю, как это ни удивительно. Налицо межмолекулярный перенос заряда — тот самый, механизм которого так интересует инженеров — творцов органических полупроводников.

Сколько патентов хранится в сейфах живой природы! Действительно: природа — богатейший политехнический музей.

Чтобы углекислота CO2 превратилась в глюкозу, ей нужен водород. И энергия! Поставщиком того и другого служит трифосфопиридиннуклеотид ТПН. Чтобы стать настоящим межмолекулярным «коммивояжером», он должен сначала перейти в восстановленную форму: ТПН—H. Здесь — H является символом того самого водородного атома, который предназначен для углекислоты. Агент по поставке водорода собирает свой товар по частям. Одну часть — электрон — он получает от хлорофилла. Другую — протон — от воды.

Воды в зеленом листе много. И ее молекулы частично диссоциированы на протон и гидроксил: H2O = H+ + ОН–. Протон воды вместе с возбужденным электроном хлорофилла идет на построение высокоэнергетических валентных связей глюкозы. А оставшийся неприкаянным гидроксил?

Он тоже не пропадает втуне. Если отнять у него электрон, произойдет расщепление: OH– = O + H+ + 2e. Кислород выделится в атмосферу. Водород тоже не останется без дела — на него всегда при фотосинтезе спрос большой.

Электрон же поступает в распоряжение веществ-переносчиков. Новые агенты по поставке обдирают электрон как липку, заставляя его раскошелиться и истратить всю свою избыточную энергию на создание высокоэнергетических связей в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). Молекула образуется из аденозиндифосфата (АДФ), присоединяя к себе остаток фосфорной кислоты. Обратный процесс — разложение АТ на АДФ и фосфатный остаток — протекает с выделением энергии. Высвобожденная энергия идет в фонд помощи углекислоте — на образование из нее глюкозы. А окончательно растратившийся электрон водворяется на место «дырки» в молекуле хлорофилла. Цикл фотосинтеза завершен.

Так из воды и углекислого газа зелеными фабриками вырабатывается глюкоза. В ее межатомных связях законсервирована энергия солнечного зайчика. Переходя в организм животных, глюкоза становится биохимическим топливом. Сгорая по схеме (CH2O) + O2 = СО2 + H2O + 112 ккал, она отдает свою энергию на образование АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Энергия запасается валентными связями. А уж отщепление фосфата поставляет животным и человеку энергию для всех процессов жизнедеятельности.

Молекулы хлорофилла расположены в цехах миниатюрных зеленых фабрик отнюдь не как попало. Они не просто плавают в соках растительной клетки. Положите лист любого вашего комнатного растения на твердую гладкую подставку, не отрывая его от ветки. И легонько прокатайте карандашом. Фотосинтез немедленно прекратится! Достаточно малейшего нарушения клеточной структуры, чтобы живой полупроводник перестал работать.

Архитектура живых фабрик сложна и тонка. Плоские молекулы хлорофилла лежат стопками внутри особой структурной ячейки — граны. Каждая молекула напоминает полупроводниковую пластинку фотоэлектрического элемента, каждая грана — сам элемент, а совокупность гран — батарею элементов.

Ежегодно зеленые «электрические батареи» аккумулируют такое количество солнечной энергии, сколько могли бы дать двести тысяч электростанций, равных по мощности Волжской ГЭС имени В. И. Ленина. Научиться изготовлять такие же высокоэффективные полупроводниковые батареи, подобные тем, что действуют внутри растений, — заветная мечта ученых и инженеров. Известный французский физик Фредерик Жолио-Кюри как-то сказал: «Хотя я верю в будущее атомной энергетики, однако настоящий переворот в энергетике наступит лишь в тот день, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, подобных хлорофиллу, или даже лучше него». Ученый подсчитал: если б удалось использовать всего одну десятую часть солнечной радиации, падающей на Египет, то этого с лихвой хватило бы для удовлетворения нынешних энергетических потребностей человечества.

А для утоления энергетической жажды в далеком будущем? Нельзя ли использовать фотохимические процессы?

Но вернемся к энергетическому циклу в биосфере. Не зря изображают его начало стрелкой, направленной вверх. Вторую стрелку придется нарисовать изогнутой: опускаясь на прежний энергетический уровень, электрон участвует в различных приключениях, где и отдает постепенно свою энергию. Жизнь управляется именно электронами! А электрон, движущийся по замкнутому контуру, — не что иное, как слабый электрический ток. Стало быть, жизнью движут слабые электрические токи, питаемые солнечным светом. И в этих тончайших биологических тонкостях не разобраться без квантовой химии.

Без химии — да, это очевидно. Но почему обязательно квантовой? В конце концов переход электронов от молекулы к молекуле — разве это не обычная химическая реакция? Разве к ней неприложим привычный язык букв и черточек?