“Уголь, нефть и газ есть благодаря фотосинтезу”

Возникновение фотосинтеза в процессе эволюции когда-то дало жизнь всему разнообразию живого мира на Земле, а сегодня он может помочь человечеству обрести источник неиссякаемой экологически чистой энергии. Об изучении процесса фотосинтеза и его “приспособлении” для нужд людей рассказывает доктор биологических наук Сулейман Аллахвердиев.

Фотосинтез — эволюционный прорыв древней Земли

Более трех миллиардов лет назад живущие на земле организмы приобрели способность эффективно захватывать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических молекул путем фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза привел к беспрецедентному взрыву биологической активности на Земле, позволив жизни процветать и изменяться огромными шагами, о чем свидетельствуют ископаемые останки животных и растительных организмов, сохранившиеся в земной коре с прежних геологических эпох, а также количество и разнообразие живущих организмов на нашей планете сегодня. Энергия солнца — это единственный имеющийся в избытке источник возобновляемой энергии, и фотосинтетический аппарат использует эту энергию для осуществления термодинамически и химически затратной реакции расщепления воды. Осуществляя этот процесс, фотосинтез снабжает биологию неограниченными поставками водорода (электронов и протонов), необходимого для того, чтобы превратить двуокись углерода в органические молекулы жизни.

До эволюции фотосинтеза биология зависела от доноров водорода/электронов, то есть веществ-восстановителей, таких как сероводород H2S или аммиак NH3, которые присутствовали на Земле в гораздо более ограниченном количестве по сравнению с океанами воды.

Накопление выделяемого кислорода привело к возникновению аэробной атмосферы. Образование озонового слоя позволило организмам выйти из океанов на сушу. С появлением кислорода эффективность метаболизма увеличилась, поскольку аэробное дыхание дает почти в 20 раз больше клеточной энергии, чем анаэробное. Эта улучшенная эффективность в превращении энергии была, очевидно, основным фактором, ответственным за последующую эволюцию эукариотических клеток в многоклеточных организмах. Поэтому можно утверждать, что одним из наиболее значимых событий в истории Земли была эволюция фотосинтезирующих организмов, способных окислять воду.

Фотосинтез может быть либо оксигенным (O2 продуцирующим), либо аноксигенным. Оксигенные организмы используют энергию солнца, чтобы отрывать электроны и протоны от воды, главным образом, для цикла ассимиляции СО2, и продуцируют О2 в качестве побочного продукта. Аноксигенные организмы не обладают редокс потенциалом, необходимым для того, чтобы окислить Н2О, и потому вынуждены брать электроны от других электрон-донорных субстратов, таких как H2S или органические кислоты. Оксигенный фотосинтез имеет место в высших растениях, водорослях и цианобактериях, тогда как аноксигенный фотосинтез происходит в организмах, таких как зеленые серные и пурпурные несерные бактерии.

Благодаря фотосинтезу энергия солнца захватывается и накапливается в форме биотоплива, такого как уголь, нефть и газ. Однако эти виды топлива, даваемые фотосинтезирующими организмами, интенсивно используются и становятся ограниченными. Из всего объема потребленной энергии на Земле в 2005 году 86% было получено из ископаемых видов топлива. Кроме того, глобальное потребление энергии будет увеличиваться от настоящего уровня до 12.8-27 ТВт к 2050 году. Это приведет к дальнейшему глобальному потеплению на нашей планете, поскольку повышаются уровни двуокиси углерода и других парниковых газов в атмосфере Земли.

За последние 50 лет концентрация двуокиси углерода в атмосфере увеличилась более чем на 18%, а температура поверхности Земли увеличилась на 0,64 градуса.

Все еще не решен вопрос о том, насколько индустриальная активность человечества ответственна за эти глобальные изменения нашего климата, так как эти изменения могут вызвать множество факторов. Тем не менее причина, за которую активность человечества, безусловно, ответственна, — это разработка только тех промышленных процессов, которые приводят к выделению двуокиси углерода, и ни одного из тех, которые бы были сопряжены с ее ассимиляцией. И это является существенной проблемой, потому что мы нарушаем равновесие в круговороте углерода, поглощая унаследованные нами источники углерода без какой-либо надежды на их возобновление. Поэтому очень важно в самом ближайшем будущем разработать источники возобновляемой, чистой энергии. В этом отношении фотосинтез представляет собой успешный пример того, как энергия солнца может превращаться в топливо, когда электроны отнимаются от воды, используя свет в качестве единственного источника энергии. Было бы разумно более детально изучить фотосинтез, потому что процессы фотосинтеза содержат много загадок, разгадав которые, человечество могло бы многому научиться.